简述预测便携式设备的电池剩余电量和运行时间

 

　　挑战

　　在当今的高科技时代，移动电话、PDA、笔记本电脑、医疗设备以及测量仪器等便携式设备可谓随处可见。随着便携式应用越来越多的向多样化、专有化、个性化方面发展，有一点却始终未变，那就是所有的便携式设备均靠电池供电。在对系统的剩余运行时间进行预测的时候，电池可以说是供电环节中难理解的部分之一。随着便携式应用数量的不断增加，我们需要实现更多的关键性操作，例如利用移动电话进行账户管理、便携式数据记录器必须保留相应的功能以应对完全工作交接、医疗设备必须完整保存需要监控的关键数据等等。

　　为了充分利用电池电量，当每节电池达到3.0V的终止电压时，用户希望能够在电池的运行周期内对其剩余电量进行度为±1%的电池电量监测。此外，他们还希望去除耗时的充放电周期，以更新使用3S2P锂离子电池组（三节锂离子电池串联以及两节锂离子电池并联）的笔记本电脑的电池容量，每节电池的容量为2200mAh.

　　解决方案

　　目前人们主要使用两种监测方法：一种方法以电流积分（current integration）为基础；而另一种则以电压测量为基础。前者依据一种稳健的思想，即如果对所有电池的充、放电流进行积分，就可以得出剩余电量的大小。当电池刚充好电并且已知是完全充电时，使用电流积分方法效果非常好。这种方法被成功地运用于当今众多的电池电量监测过程中。

　　但是该方法有其自身的弱点，特别是在电池长期不工作的使用模式下。如果电池在充电后几天都未使用，或者几个充、放电周期都没有充满电，那么由内部化学反应引起的自放电现象就会变得非常明显。目前尚无方法可以测量自放电，所以必须使用一个预定义的方程式对其进行校正。不同的电池模型有不同的自放电速度，这取决于充电状态（SOC）、温度以及电池的充放电循环历史等因素。创建自放电的模型需要花费相当长的时间进行数据搜集，即便这样仍不能保证结果的准确性。

　　该方法还存在另外一个问题，那就是只有在完全充电后立即完全放电，才能够更新总电量值。如果在电池寿命期内进行完全放电的次数很少，那么在电量监测计更新实际电量值以前，电池的真实容量可能已经开始大幅下降。这会导致监测计在这些周期内对可用电量做出过高估计。即使电池电量在给定温度和放电速度下进行了的更新，可用电量仍然会随放电速度以及温度的改变而发生变化。以电压为基础的方法属于早应用的方法之一，它仅需测量电池两级间的电压。该方法基于电池电压和剩余电量之间存在的某种已知关系。它看似直接，但却存在难点：在测量期间，只有在不施加任何负载的情况下，才存在这种电池电压与电量之间的简单关联。当施加负载时（这种情况发生在用户对电量感兴趣的多数情况下），电池电压就会因为电池内部阻抗所引起的压降而产生失真。此外，即使去掉了负载，发生在电池内部的张持过程（relaxation processe）也会在数小时内造成电压的连续变化。由于多种原因的存在，基于电池阻抗知识的压降校正方法仍存在问题，本文会在稍后讨论这些原因。

　　基于阻抗跟踪技术的电池电量监测

　　通过上述叙述可以看出，无论是库仑计数算法还是基于电池电压相关算法的电池电量监测，要想实现1%的电池容量估计都是不可能的。因此，TI开发出了一种全新电池电量监测算法--阻抗跟踪技术，该技术综合了基于库仑计数算法和电压相关算法的优点。

　　当笔记本电脑处于睡眠或关机模式时，其电池及电池组处于没有负载的空闲状态。这时在电池开路电压（OCV）和SOC之间存在非常的相关性，该相关性给出了SOC确切的开始位置。由于所有自放电活动都在电池的OCV降低过程中反应出来，所以无需进行自放电校正。在便携式设备开启之前，的SOC通常取决于对电池OCV的测量。当设备处于活动模式而且接入了负载，便开始执行基于电流积分的库仑计数算法。库仑计数器测量通过的电荷量并进行积分，从而不间断地算出SOC值。

　　图1显示了电池总容量测量的更新。电池总容量是通过电池在充放电前后电压的变化足够小、处于全空闲状态时，在P1和P2处的两个OCV读数计算得出的。在P1处电池完成放电之前，SOC值可由下式得出：

　　SOC1=Q1/Qmax

　　电池完成放电且通过电荷为DQ时，SOC值可由下式得出：

　　SOC2=Q2/Qmax

　　两个等式相减，得出：

　　其中，△Q=Q1-Q2

　　式中，通过分别在P1处和P2处测量电池的OCV,可由电池OCV以及SOC之间的相关性得出SOC1和SOC2.从该等式可以看出，无需经历完全的充放电周期即可确定电池总容量。

　　在接入了外部负载之后，可以通过测量出在负载条件下的电池电压差来测量每节电池的阻抗。压差除以接入的负载电流，就可以得出低频电池阻抗。

　　此外，当采用描述温度效应的模型进行测量工作时，阻抗的大小与温度高低有关。有了该阻抗信息，就可以对终止电压进行预测，从而可以计算所有负载或温度下的剩余电量。有了该电池阻抗信号，通过在固件中使用一种电压仿真方法就可以确定剩余电量。该仿真方法先计算出当前的SOCstart值，然后计算出在负载电流相同且SOC值持续降低的情况下未来的电池电压值。当仿真电池电压低于电池终止电压（典型值为3.0V/每节）时，获取与此电压对应的SOC值并记做SOCfinal.剩余电量RM可由下式得出。

　　RM=（SOCstart-SOCfinal）×Qmax

　　图2说明了由基于实时更新电池阻抗的电量监测计bq20z80如何地预测电池的剩余电量。对剩余电量预测的误差不到1%,该误差率会贯穿于整个电池组的使用寿命。

　　结论

　　基于阻抗跟踪技术的电池电量监测计综合了基于库仑计数算法与基于电压相关算法的优点，从而实现了的电池电量监测度。通过测量空闲状态下的OCV,可以得出的SOC值。由于所有自放电活动都在电池的OCV降低过程中反应出来，所以无需进行自放电校正。当设备的运行模式为活动模式且接入了负载，便开始执行基于电流积分的库仑计数算法。通过实时测量实现对电池阻抗的更新，而且通过阻抗跟踪技术还可以省去耗时的电池自动记忆周期。因此，在整个电池使用周期内都实现了1%的电池电量监测。