針对单节电池供电手持应用的主机侧电量监测计系统设计考虑因素.docxVIP

针对单节电池供电手持应用的主机侧电量监测计系统设计考虑因素作者：德州仪器 (TI) 电池管理应用经理 钱金荣、电池管理应用工程师 Michael Vega引言人们希望能够确定手持终端设备的电池剩余电量，如智能电话、便携式媒体播放器 (PMP) 以及个人数字助理 (PDA)。虽然许多 手持终端便携式设备均已采用电压测量方法来估计剩余的电池电量，但在一些应用中需要有一种更为精确的剩余电量测量方法已 变得至关重要。从这一方面来说，主机侧电池电量监测计比传统的电池组侧电池电量监测计更具吸引力，这是因为当原装电池电量 耗尽时其可以降低一个新电池组的成本。本文着重阐述了提高电量监测计精度以及主机侧电池管理设计的考虑因素，如高精度 Impedance Track? 电量监测计、电池插入以及与电池充电系统的协调运行。现有电量测量技术存在的问题传统的电量监测计位于电池组的内部（如图 1 所示）且通常与锂离子电池相连接。该电量监测计不但会监控充放电活动，而且还 使用一个嵌入式算法来报告剩余的电池电量。当电池电量耗尽以后，该电池以及电池组电子电路将被我们一起扔掉，这样就使仍运 行良好的电量监测计浪费掉了。因此最终用户不但必须要再购买一个电池组，而且还必须要再购买一个电量监测计。在主机侧电量 监测系统中，电量监测计位于母板中，而电池和电池组保护电路则位于电池组内部。由于这种结构，当用户购买一个全新的电池组 时就不必再购买一个全新的电量监测计了，但要面临诸多设计挑战，其中包括电池化学检测、电池插入检测以及与电池充电器的协 调运行。图 1 传统的电池组锂离子电池容量的下降是电池运行时间缩短的主要原因，这种误解普遍存在。实际上，电池阻抗的不断增加（而非电池容量的下 降）才是导致系统提前关机的关键因素。在电池完成大约 100 个充放电周期以后，电池容量仅下降 5%，而电池的 DC 阻抗却增加了 2 倍。老化电池更高阻抗的直接影响是负载电流引起的内部压降增大，从而老化电池达到系统最低工作电压（或称为终止电压）的 时间要远远早于新电池。传统的电池电量测量技术主要是基于电压和库仑计数算法开发的，在测量性能方面具有很明显的局限性。由于成本低且实施简 单，基于电压的测量方法被广泛用于手机等手持设备，但使用一段时间后电池阻抗会发生变化，从而影响该方法的测量精度。电池 电压可由下式得出：VBAT=VOCV-I×RBAT其中，OCV 为电池开路电压，RBAT 为电池内部 DC 阻抗。从图 2 可以看出，老化电池更低的电压会使系统关机时间会比使用新 电池时的系统关机时间提前。图 1 传统的电池组负载情况和温度的变化会使电池可用容量最多减少高达 50%。大多数最终用户在使用未配备真正电量监测计的便携式设备时， 都经历过电池耗尽引起突然关机的情况。库仑计数法采取的是另一种方法：通过不间断对流入和流出电池的电量进行库仑积分，以 计算出消耗的电荷和充电状态 (SOC)，而全部容量是已知的，因此，库仑计数可以得出剩余电量。这种方法的缺点是难以精确量化 (model) 自放电电量，而且由于该方法不进行周期性地完整周期校正，从而导致测量误差随着时间的推移越来越大。这些算法都没 有解决电池阻抗的变化问题。为了防止突然关机，设计人员必须要提前终止系统运行以保留更多电池电量，但这样会导致大量的电 能被浪费掉。单节电池阻抗跟踪电量监测计阻抗跟踪技术之所以非常独特而且比其他解决方案更为精确是因为该技术具有自动记忆机制，其能解决由于电池老化而引起 的化学容量 (QMAX) 的变化和电池阻抗不断增加的问题。阻抗跟踪电量监测计通过在电池实际使用过程中先测量然后跟踪阻抗和 容量变化实施了一个动态建模算法，以自动记忆并跟踪电池特性。使用该算法则无需定期进行完整周期容量校正。阻抗跟踪技术能够对将要精确建模的负载和温度进行补偿，最重要的是要在电池的整个使用寿命内保持电量监测精度。由于系 统设计不再需要一个提前关机机制，所以电池电量可以得到充分利用。与单独使用库仑计数法或电池电压相关法相比，阻抗跟踪电 量监测计在测量电池剩余容量方面更加出色。事实上，这些电量监测计使用了两种技术来克服电池老化、自放电以及温度变化的影 响。阻抗跟踪器件会不断地对保持电池阻抗 (RBAT) 与放电深度 (DOD) 和温度之间函数关系的数据库表格进行维护。为了了解何时 需要更新或使用这些表格，知道不同状态下会发生什么样的操作是非常有用的。我们可以将多个电流阈值编程到电量监测计的非 易失存储器中，以定义充电、放电以及“松弛时间”，在停止充电或停止放电以后，“该松弛时间”能够使电池电压稳定下来。手持设备开机时电量监测计通过测量电池开路电压 (OCV)，然后与 OCV (DOD，T) 表进行比较的方法就可以确定电池精确的充电 状态。完成 OCV