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文檔簡介
1、在當今的高科技時代,移動電話、PDA、筆記本電腦、醫(yī)療設備以及測量儀器等便攜式設備可謂隨處可見。隨著便攜式應用越來越多的向多樣化、專有化、個性化方面發(fā)展,有一點卻始終未變,那就是所有的便攜式設備均靠電池供電。在對系統(tǒng)的剩余運行時間進行預測的時候,電池可以說是供電環(huán)節(jié)中最難理解的部分之一。隨著便攜式應用數(shù)量的不斷增加,我們需要實現(xiàn)更多的關鍵性操作,例如利用移動電話進行賬戶管理、便攜式數(shù)據(jù)記錄器必須保留相應的功能以應對完全工作交接、醫(yī)療設備
2、必須完整保存需要監(jiān)控的關鍵數(shù)據(jù)等等。本文將討論盡可能精確計算剩余電池電量的重要性。令人遺憾的是,僅通過測量某些數(shù)據(jù)點甚至是電池電壓無法達到上述目的。溫度、放電速率以及電池老化等眾多因素都會影響充電狀態(tài)。本文將集中討論一種專利技術,該技術能夠幫助設計人員測量鋰電池的充電狀態(tài)以及剩余電量。現(xiàn)有的電池電量監(jiān)測方法現(xiàn)有的電池電量監(jiān)測方法目前人們主要使用兩種監(jiān)測方法:一種方法以電流積分(currentintegration)為基礎;而另一種則以電
3、壓測量為基礎。前者依據(jù)一種穩(wěn)健的思想,即如果對所有電池的充、放電流進行積分,就可以得出剩余電量的大小。當電池剛充好電并且已知是完全充電時,使用電流積分方法效果非常好。這種方法被成功地運用于當今眾多的電池電量監(jiān)測過程中。但是該方法有其自身的弱點,特別是在電池長期不工作的使用模式下。如果電池在充電后幾天都未使用,或者幾個充、放電周期都沒有充滿電,那么由內(nèi)部化學反應引起的自放電現(xiàn)象就會變得非常明顯。目前尚無方法可以測量自放電,所以必須使用一個
4、預定義的方程式對其進行校正。不同的電池模型有不同的自放電速度,這取決于充電狀態(tài)(SOC)、溫度以及電池的充放電循環(huán)歷史等因素。創(chuàng)建自放電的精確模型需要花費相當長的時間進行數(shù)據(jù)搜集,即便這樣仍不能保證結(jié)果的準確性。該方法還存在另外一個問題,那就是只有在完全充電后立即完全放電,才能夠更新總電量值。如果在電池壽命期內(nèi)進行完全放電的次數(shù)很少,那么在電量監(jiān)測計更新實際電量值以前,電池的真實容量可能已經(jīng)開始大幅下降。這會導致監(jiān)測計在這些周期內(nèi)對可用
5、電量做出過高估計。即使電池電量在給定溫度和放電速度下進行了最新的更新,可用電量仍然會隨放電速度以及溫度的改變而發(fā)生變化。以電壓為基礎的方法屬于最早應用的方法之一,它僅需測量電池兩級間的電壓。該方法基于電池電壓和剩余電量之間存在的某種已知關系。它看似直接,但卻存在難點:在測量期間,以通過減去IR壓降來校正帶負載的電壓,然后通過使用校正后的電壓值來獲取當前的SOC。我們將要遇到的第一個問題就是:R值取決于SOC。如果使用平均值,那么在幾乎完
6、全放電的狀態(tài)下(此時阻抗是充電狀態(tài)下的10倍以上),對SOC的估測誤差將達到100%。解決該問題的一個辦法是根據(jù)SOC在不同負載下使用多元電壓表。阻抗同樣在很大程度取決于溫度(溫度每降低10C,阻抗增加1.5倍),這種相互關系應該添加到表格中,而這也就使得運算過程極為復雜。電池電壓具有瞬態(tài)響應特性,而這意味著有效的R值取決于負載的加載時間,顯而易見我們可以將內(nèi)部阻抗簡單視為歐姆電阻而無需考慮時間因素,因為即使電壓表中考慮到了R和SOC的
7、相關性,負載的變化也將導致嚴重誤差。由于SOC(V)函數(shù)的斜率取決于SOC,所以瞬態(tài)誤差的范圍將從放電狀態(tài)下的50%到充電過程中的14%不等。不同電池間阻抗的變化加大了情況的復雜性。即使是新生產(chǎn)的電池也會存在15%的低頻DC阻抗變化,這在高負載的電壓校正中造成很大差異。例如,在通常的12C充放電電流、2Ah電池典型DC阻抗約為0.15Ω的情況下,最差時會在電池間產(chǎn)生45mV的校正電壓差異,而對應的SOC估測誤差則達到了20%。最后,當電
8、池老化時,一個與阻抗相關的最大問題也隨即出現(xiàn)。眾所周知,阻抗的增加要比電池電量的降低顯著得多。典型的鋰離子電池70個充放電循環(huán)后,DC阻抗會提高一倍,而相同周期的無負載電量僅會下降2%~3%。基于電壓的算法似乎在新電池組上很適用,但是如果不考慮上述因素,在電池組只達到使用壽命的15%時(預計500個充放電周期)就會產(chǎn)生嚴重的誤差(誤差為50%)。兩種方法取長補短兩種方法取長補短TI在下一代電量監(jiān)測算法開發(fā)中選取了電流法和電壓法各自的長處
9、。該公司慎重考慮了這個看似理所當然,但迄今為止尚人涉足的方案:將電流法和電壓法相結(jié)合,根據(jù)不同情況使用表現(xiàn)最為突出的方法。因為開路電壓與SOC之間存在非常精確的相關性,所以在無負載和電源處于張弛狀態(tài)的情況下,這種方法可以實現(xiàn)精確的SOC估算。此外,該方法也使得有機會利用不工作期(任何靠電池供電的設備都會有不工作期)來尋找SOC確切的“起始位置”。由于設備接通時可以知道精確的SOC,所以該方法免除了在不工作期對自放電校正的需求。當設備進入
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