为多单元的锂电池包设计电量测定计

随着功能集成和技术融合趋势的继续，笔记本电脑、蜂窝电话和媒体播放器等便携式设备对电源有日益增加的要求。锂电池?这些设备的主要可充电电源?在满足便携式设备对电源的要求上面临严峻的挑战。虽然在新的电源中正寻求时代的进步，系统设计工程师还应该完全发掘现有电池技术的潜力。这不仅仅是对电池本身施加了更大的压力，而且要加强采用精确的电池电量测定(Fuel Gauge)方法，以最大限度地发挥电池的潜能。  

许多移动应用，如无线帐号管理、数据处理和医疗监测，都依赖于精确的剩余电池电量信息，以防止因电池能量耗尽而出现意外关机。然而，在遍及电池生命期期间、整个工作温度范围内及各种负载用法的情况下，许多终端用户、甚至一些系统设计工程师要提供精确的剩余电池电量信息常常面临无法估计的挑战。本文介绍如何利用TI公司称为Impedance Track(阻抗跟踪)的电量测定技术来应对上述挑战，并给出了一个三串联、两并联电池包解决方案的设计实例。  

现有电池电量测定方法存在的问题  

人们对锂电池存在一种误解，认为电池使用时间的缩短主要是因为电池电量的枯竭。与这种习以为常的思维相反，造成问题的不是电量的损失，而是电池阻抗的增加。图1所示为100个(充电和放电)循环之后，电池电量下降到不足5%，与此同时，电池的内部直流阻抗R(Z)却增加了两倍。已经老化的电池具有较高的阻抗，对于给定的负载电流而言，其直接影响是内部电压降更大，结果，已老化电池比新电池更早地到达了最小系统工作电压(或终止电压)。  


  
图1：100个循环之后电池的化学容量和阻抗。  

传统的电量测定技术主要以测量电压和库仑计算算法为基础，在测定性能上有明显的局限性。首先，由于成本低且设计简单，以电压为基础的方案被广泛地用于手持设备中，但是，随着时间的推移，它会受到电池阻抗变化的影响，动态负载条件和温度变化可能致使测定的误差高达50%。其次，库仑计算方案采取一种替代的方法，通过连续地对库仑进行积分以计算所消耗的电荷及电荷的状态(SOC)。由于预先掌握满电量的情况，从而可以获得剩余电量，这种方法的一个缺点是难以精确地模拟自放电。由于没有周期性的满循环校准，测定误差会随着时间的推移而增加。此外，这两种算法都没有解决电池阻抗变化的问题。为了避免老化的电池单元造成意外的关机，设计工程师必须过早地终止系统的工作。这样做会让新电池浪费大量的电能。  


  
图2：保守的设计让新电池浪费较大量的电能/电量。  

动态检测电池阻抗和化学容量  

与现有的解决方案相比，Impedance Track技术的独特之处在于它更为精确，其自学习机制解决了造成电池阻抗和无负载化学满容量(QMax)这两个变化的老化效应。Impedance Track所实现的一种动态建模算法能够学习在老化条件下的电池特性，并通过跟踪电池在实际使用过程中的阻抗和容量变化来掌握温度或使用的历史记录。利用这种算法，就不需要周期性的满循环容量校准。利用所掌握的电池单元阻抗的信息，对负载和温度的补偿可以得到精确的建模。  

更为重要的是，由于能够动态地学习电池的参数，在整个电池的生命期内都可以维持电池电量测定的精确性。利用Impedance Track提供的精确测定结果，系统设计就可以从保守的关机方案中解放出来。现在，电池电量将不再被浪费。  

阻抗跟踪测定的工作原理  

如图3所示，Impedance Track电池电量测定计IC容许精确地测量下列主要参数：  

* OCV：当电池处于松弛模式时，电池的开路电压；  


  
* 电池阻抗：仅仅在放电期间测量；  

* PassedCharge: 在电池放电或充电期间对电荷或库仑的积分；  

* QMax: 最大的电池化学容量；  

* SOC：在任何时刻的电荷状态，定义为SOC= QD / QMax，其中，QD是由全放电状态计算得到的PassedCharge；  

* RM：剩余电量；  

* FCC：满充电容量，从满充电状态到终止电压所通过的电荷量；  

SOC  

对于特殊的锂电池化学性质来说，因为SOC和OCV之间存在紧密的相互关系，所以，可以从电池的OCV估计其SOC。当电池单元处于松弛模式时，所测得的OCV I被定义为电池的状态，此时其电流小于一个给定的阀值(如10mA)且电池单元的电压稳定。然后，就可以利用预先定义的OCV-SOC关系来确定SOC。这就为后来的放电或充电周期标记了一个最初的电池状态，并且当系统处于低功耗模式时完成，如关机时。  

阻抗  

如图3所示，当便携式设备处于正常工作时，负载电流形成电池的放电曲线并导致开路电压(OCV)特性的背离。当负载被加上时，有负载情况下所测得的电压与在当前充电状态(SOC)下对电池单元化学性质的特定OCV之间存在差异，通过测量两个电压之差，可以测量每一个电池单元的阻抗。该电压差由负载上施加的电流来除，可以获得阻抗R。此外，阻抗与测量时的温度有关，要把该阻抗代入模型之中以解决温度效应问题。  


  
剩余电量(RM)  

有了阻抗信息，利用在固件中实现的电压仿真，就可以计算剩余电量(RM)。仿真从现在的SOCFINAL开始，并用4%的SOC增量连续地计算同一负载条件下将来的电压曲线。一旦获得将来的电压曲线，阻抗跟踪算法就可以确定与系统终止电压对应的SOC的数值-SOCFINAL。然后，利用下列公式就可以计算剩余电量：  


  
满充电电量（FCC）  

满充电电量(FCC)的定义是为了描绘在特定负载条件下满充电电池的实际可用电量，可以利用下列公式计算，其中，QSTART是电池的最初电量：  

FCC = QSTART + PassedCharge + RM. QMax  

有时，电池的化学容量(QMax)需要被更新以解决老化效应的问题。因为QMax的变化率要小得多，所以，这种更新不如阻抗的更新频繁。该方法就是取充电周期(也可以是放电周期)前后的两个OCV值，这两个OCV值首先利用OCV-SOC特性被转换为SOC值，然后，由下列方程导出新的QMax：  


  
上述方程可以方便地从SOC的定义中导出。显然，为了掌握电池的化学容量，该算法不需要一个完整的放电周期。然而，只有利用比较高的PassedCharge和精确的SOC数值，才能确保所计算的QMax的精确性。  

设计和配置阻抗跟踪电池电量测定计  

阻抗跟踪技术减轻了设计工程师在学习广泛的电池化学知识上所面临的负担。此外，这种新的测定技术不需要对每一个(电池)产品包都进行一次循环测定。只要掌握了针对特定型号的典型电池特性，不需要冗长的循环时间，相同的配置就适用于所有的产品包，这要归功于该算法的学习能力。  

作为一个例子，下面给出利用bq20z90设计的多电池单元电量测定计的解决方案。假设该应用采用三个串联、两个并联的电池包，每一个松下CGR18650C电池单元的容量是2200 mAh，快速充电电流是4A，最大放电电流是4A，每一个单元的终止电压为3V。在充电和放电两种情况下，最大容许的温度都是60°C。该应用在大多数时间都以不变功率负载工作。电池包是可拆卸的并且不需要预充电。如果任何一个电池单元的电压高于4.45V，就需要一个独立的、能够熔断保险丝的二次电压保护器。  

硬件设计实例  

该应用需要三个芯片组：a) bq20z90电量测定IC；b)bq29330模拟前端(AFE) IC；c)激活电压为4.45V的二次电压保护器IC bq29412。图4显示了电路的功能方框图。AFE用2.5V、16mA的低压差调整器(LDO)直接为电量测定计供电，AFE则从电池电压或充电电压获得电能。AFE的主要功能是调理用于电量计中的16位电压ADC的电池单元的电压，并提供硬件级过流保护功能。  

运行测定和保护固件的电量测定计IC是芯片组的控制器。AFE由电量测定计IC配置，从而决定它如何对处理电量测定的情形作出反应，这些包括决定什么时候及哪一个电池单元的电压信息被提供给电量测定计IC，以及要采用什么过载、短路阀值及延迟时间值。  

虽然电量测定计及其相关的AFE提供过压保护功能，电压监测的取样特性限制了这种保护系统的响应时间。bq29412提供一种与电量测定计和AFE功能协力工作的、快速响应、实时和独立的过压监测功能。当任何一个电池单元的电压超过4.45V时，在电容器经过编程设定的延迟之后，bq29412输出一个触发信号以熔断熔丝。  


  
图4：电量测定计电路功能方框图。  

配置电量测定计  

在配置Impedance Track电量测定计时，首先要确定电池单元的化学ID，并选择相应的固件文件。用于该设计的电池单元是松下的CGR18650C，属于LiCoO2/石墨化碳化学性质。根据阻抗跟踪算法所设定的惯例，电池单元的化学性质ID被识别为0100。从bq20z90网页可以下载针对这种化学性质的正确的固件(bq20z90_v110_ID0100_default.senc)。一旦固件被载入芯片，所有类型的电量测定计配置都可以通过定制数据闪存来完成。一种完成定制数据闪存的传统方式是利用bqEVSW*价软件。  

大量的数据闪存常数被分组为12类，它们支配电量测定计的工作。例如，"1st Level Safety"类保护电池，使之免于出现一些较为严重的电压、电流和温度条件，触发这些保护功能仅仅要临时关闭充电或放电功能；然后，当这些条件消失时，电池包可以恢复。在应用中容许的充电和放电的最大温度为60°C，在该类中可对最大温度进行配置。为了避免冗长的配置，图5列出了在每一种类中可以被配置的大多数应用和操作。  


  

图5：电池数据闪存类的配置。  

可选的功能可以在具有三个配置寄存器A、B和C的配置类中找到。注意：因为该应用实例是一个可拆卸的电池包，NR位应该为零，以关闭配置寄存器B中的“non-removable”配置功能，并且有必要在电池包连接器上实现一个System_Present信号。利用适当的数据闪存配置数据，该电池包应该以目标电池单元的配置而正常地工作。  

在生产中，Impedance Track电量测定计仅仅需要一个典型的电池包被循环充电和放电，以了解阻抗和化学容量的典型数值，从而修改"Ra Table"的数据闪存分类和在"Gas Gauging"分类中的化学容量，然后，就可以把相同的数据闪存配置文件用于所有生产的电池包。