中心議題：

• 現有電量測量技術存在的問題
• 電池容量的動態監測法
• 電量監測計測試結果對比

解決方案：

• 使用動態模擬算法學習並跟蹤電池特性
• 定期進行完整周期容量校正

電(dian)源(yuan)管(guan)理(li)係(xi)統(tong)麵(mian)對(dui)的(de)最(zui)大(da)難(nan)題(ti)是(shi)如(ru)何(he)延(yan)長(chang)電(dian)池(chi)的(de)運(yun)行(xing)時(shi)間(jian)。除(chu)了(le)尋(xun)找(zhao)能(neng)量(liang)密(mi)度(du)更(geng)高(gao)的(de)新(xin)式(shi)電(dian)源(yuan)外(wai)

，係(xi)統(tong)設(she)計(ji)師(shi)也(ye)在(zai)尋(xun)找(zhao)盡(jin)可(ke)能(neng)高(gao)效(xiao)地(di)利(li)用(yong)電(dian)池(chi)電(dian)能(neng)的(de)方(fang)法(fa)。他(ta)們(men)大(da)多(duo)將(jiang)注(zhu)意(yi)力(li)集(ji)中(zhong)在(zai)提(ti)高(gao)DC／DCzhuanhuanxiaolvshang，youciyanchangdianchiyunxingshijian，erwangwanghulveleyudianyuanzhuanhuanxiaolvjidianchirongliangtongdengzhongyaodedianchidianliangjiancejijingquedudewenti。ruguodianchidianliangjiancejidewuchafanweishi±10％，則為了防止丟失關鍵數據，係統隻能利用90％的電池電能。這相當於損失了10％的電池容量或電池運行時間。

無線接入賬戶管理、shujuchulijiyiliaojiankongdengxuduoyidongyingyongduishengyudianchirongliangceliangjingdudeyaoqiuhengao，yibimianyindianchihaojinzaochengturanguanji。raner，baozhengzaidianchizhenggeshengmingzhouqi、過guo溫wen狀zhuang態tai或huo使shi用yong負fu載zai時shi的de剩sheng餘yu電dian能neng的de測ce量liang精jing度du很hen困kun難nan，終zhong端duan用yong戶hu，甚shen至zhi一yi些xie係xi統tong設she計ji師shi都dou低di估gu了le這zhe一yi點dian。主zhu要yao原yuan因yin是shi電dian池chi可ke用yong電dian能neng與yu其qi放fang電dian速su度du、工作溫度、老lao化hua程cheng度du及ji自zi放fang電dian特te性xing具ju有you函han數shu關guan係xi。開kai發fa一yi種zhong算suan法fa來lai精jing確que定ding義yi電dian池chi自zi放fang電dian特te性xing及ji老lao化hua程cheng度du對dui電dian池chi容rong量liang的de影ying響xiang幾ji乎hu是shi無wu法fa實shi現xian的de。再zai者zhe，傳chuan統tong的de電dian池chi電dian量liang監jian測ce計ji要yao求qiu對dui電dian池chi完wan全quan充chong電dian和he完wan全quan放fang電dian以yi更geng新xin電dian池chi容rong量liang，這zhe在zai現xian實shi應ying用yong中zhong很hen少shao發fa生sheng，因yin而er造zao成cheng了le更geng大da的de測ce量liang誤wu差cha。所suo以yi，在zai電dian池chi運yun行xing周zhou期qi內nei很hen難nan精jing確que預yu測ce電dian池chi剩sheng餘yu容rong量liang及ji工gong作zuo時shi間jian。

本文將介紹如何利用最新的電池電量測量技術一一阻抗跟蹤測量技術解決上述難題，文中還將列舉單節鋰離子電池組解決方案的簡單設計案例。

現有電量測量技術存在的問題

鋰離子電池容量的下降是電池運行時間縮短的主要原因，這種誤解普遍存在。實際上，電池阻抗持續增加(而不是電池容量下降)是導致電池運行時間縮短、係統提前關機的關鍵因素。在電池充放電100個周期左右的時間內，電池容量僅下降5％，而電池的DC阻(zu)抗(kang)升(sheng)高(gao)比(bi)例(li)卻(que)達(da)到(dao)一(yi)倍(bei)或(huo)兩(liang)倍(bei)因(yin)子(zi)級(ji)別(bie)。老(lao)化(hua)電(dian)池(chi)阻(zu)抗(kang)提(ti)高(gao)的(de)直(zhi)接(jie)結(jie)果(guo)是(shi)負(fu)載(zai)電(dian)流(liu)引(yin)起(qi)的(de)內(nei)部(bu)壓(ya)降(jiang)增(zeng)大(da)。結(jie)果(guo)，老(lao)化(hua)電(dian)池(chi)達(da)到(dao)係(xi)統(tong)最(zui)小(xiao)工(gong)作(zuo)電(dian)壓(ya)(或稱為終止電壓)的時間要遠遠早於新電池。

傳(chuan)統(tong)的(de)電(dian)池(chi)電(dian)量(liang)測(ce)量(liang)技(ji)術(shu)主(zhu)要(yao)是(shi)基(ji)於(yu)電(dian)壓(ya)和(he)庫(ku)侖(lun)計(ji)數(shu)算(suan)法(fa)開(kai)發(fa)的(de)
，在(zai)測(ce)量(liang)性(xing)能(neng)方(fang)麵(mian)局(ju)限(xian)性(xing)很(hen)明(ming)顯(xian)。由(you)於(yu)成(cheng)本(ben)低(di)且(qie)實(shi)現(xian)簡(jian)單(dan)
，基(ji)於(yu)電(dian)壓(ya)的(de)測(ce)量(liang)方(fang)法(fa)廣(guang)泛(fan)用(yong)於(yu)手(shou)機(ji)等(deng)手(shou)持(chi)設(she)備(bei)
，但(dan)使(shi)用(yong)一(yi)段(duan)時(shi)間(jian)後(hou)電(dian)池(chi)阻(zu)抗(kang)會(hui)發(fa)生(sheng)變(bian)化(hua)，影(ying)響(xiang)該(gai)方(fang)法(fa)的(de)測(ce)量(liang)精(jing)度(du)。電(dian)池(chi)電(dian)壓(ya)可(ke)由(you)下(xia)式(shi)得(de)出(chu)：



其中，Vocv為電池開路電壓
，RBAT為電池內部DC阻抗。從圖1可以看出，老化電池的電壓比新電池要低，會使係統關機時間提前。


負載情況及溫度的變化會使電池可用容量最多減少50％。大(da)多(duo)數(shu)終(zhong)端(duan)用(yong)戶(hu)在(zai)使(shi)用(yong)未(wei)裝(zhuang)配(pei)真(zhen)正(zheng)電(dian)量(liang)監(jian)測(ce)計(ji)的(de)便(bian)攜(xie)式(shi)設(she)備(bei)時(shi)
，都(dou)經(jing)曆(li)過(guo)電(dian)池(chi)耗(hao)盡(jin)引(yin)起(qi)突(tu)然(ran)關(guan)機(ji)的(de)情(qing)況(kuang)。另(ling)一(yi)方(fang)麵(mian)，庫(ku)侖(lun)計(ji)數(shu)法(fa)采(cai)取(qu)的(de)是(shi)另(ling)一(yi)種(zhong)方(fang)法(fa)：通過不間斷地進行庫侖積分，計算出消耗的電荷量及充電狀態(SOC)，而全部容量是已知的
，因此
，可以得到剩餘容量值。這種方法的缺點是難以精確量化(model)自(zi)放(fang)電(dian)電(dian)量(liang)

，而(er)且(qie)，由(you)於(yu)該(gai)方(fang)法(fa)不(bu)進(jin)行(xing)周(zhou)期(qi)性(xing)地(di)完(wan)整(zheng)周(zhou)期(qi)校(xiao)正(zheng)，導(dao)致(zhi)測(ce)量(liang)誤(wu)差(cha)隨(sui)著(zhe)時(shi)間(jian)的(de)推(tui)移(yi)越(yue)來(lai)越(yue)大(da)。這(zhe)些(xie)算(suan)法(fa)都(dou)沒(mei)有(you)解(jie)決(jue)電(dian)池(chi)阻(zu)抗(kang)的(de)變(bian)化(hua)問(wen)題(ti)。為(wei)了(le)防(fang)止(zhi)突(tu)然(ran)關(guan)機(ji)，設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)必(bi)須(xu)提(ti)前(qian)終(zhong)止(zhi)係(xi)統(tong)運(yun)行(xing)、保留更多能量，這導致大量電能被浪費。
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電池阻抗及化學容量的動態監測

阻抗跟蹤(IT)技術非常獨特
，比現有解決方案更為精確
，原因是該技術具有的自學習機製能解決導致電池阻抗及空載條件下化學全容量(QMAX)發(fa)生(sheng)變(bian)化(hua)的(de)老(lao)化(hua)問(wen)題(ti)。阻(zu)抗(kang)跟(gen)蹤(zong)技(ji)術(shu)使(shi)用(yong)動(dong)態(tai)模(mo)擬(ni)算(suan)法(fa)學(xue)習(xi)並(bing)跟(gen)蹤(zong)電(dian)池(chi)特(te)性(xing)，即(ji)在(zai)電(dian)池(chi)實(shi)際(ji)使(shi)用(yong)過(guo)程(cheng)中(zhong)，先(xian)測(ce)量(liang)阻(zu)抗(kang)及(ji)容(rong)量(liang)值(zhi)，然(ran)後(hou)跟(gen)蹤(zong)其(qi)變(bian)化(hua)。使(shi)用(yong)該(gai)算(suan)法(fa)則(ze)無(wu)需(xu)定(ding)期(qi)進(jin)行(xing)完(wan)整(zheng)周(zhou)期(qi)容(rong)量(liang)校(xiao)正(zheng)。

利li用yong電dian池chi阻zu抗kang知zhi識shi
，能neng夠gou實shi現xian精jing確que的de負fu載zai及ji溫wen度du補bu償chang。最zui重zhong要yao的de是shi，通tong過guo對dui電dian池chi參can數shu的de動dong態tai學xue習xi，該gai測ce量liang法fa在zai電dian池chi的de整zheng個ge使shi用yong壽shou命ming內nei都dou能neng對dui電dian量liang進jin行xing精jing確que的de測ce量liang。與yu單dan獨du使shi用yong庫ku侖lun計ji數shu法fa或huo電dian池chi電dian壓ya相xiang關guan法fa相xiang比bi

，阻zu抗kang跟gen蹤zong技ji術shu在zai測ce量liang電dian池chi剩sheng餘yu容rong量liang方fang麵mian更geng加jia出chu色se。

IT在運行過程中
，需要持續對保持電池阻抗(RBAT)與放電深度(DOD)和he溫wen度du之zhi間jian函han數shu關guan係xi的de表biao格ge數shu據ju庫ku進jin行xing維wei護hu。了le解jie不bu同tong狀zhuang態tai下xia所suo發fa生sheng的de操cao作zuo有you助zhu於yu確que定ding何he時shi需xu要yao更geng新xin或huo使shi用yong這zhe些xie表biao格ge。測ce量liang計ji中zhong，非fei易yi失shi存cun儲chu器qi存cun有you多duo個ge定ding義yi充chong電dian
、放電
、充電後鬆弛、放電後鬆弛等狀態的電流閾值。停止充電後或停止放電後，"鬆弛時間"能夠使電池電壓穩定下來。

手持設備開機前通過測量電池開路電壓(OCV)，然後與OCV(DOD，T)表(biao)進(jin)行(xing)比(bi)較(jiao)的(de)方(fang)法(fa)確(que)定(ding)電(dian)池(chi)精(jing)確(que)的(de)充(chong)電(dian)狀(zhuang)態(tai)。當(dang)手(shou)持(chi)設(she)備(bei)處(chu)於(yu)活(huo)動(dong)狀(zhuang)態(tai)並(bing)接(jie)入(ru)負(fu)載(zai)，則(ze)開(kai)始(shi)執(zhi)行(xing)基(ji)於(yu)電(dian)流(liu)積(ji)分(fen)的(de)庫(ku)侖(lun)計(ji)數(shu)算(suan)法(fa)。庫(ku)侖(lun)計(ji)數(shu)器(qi)測(ce)量(liang)通(tong)過(guo)的(de)電(dian)荷(he)量(liang)並(bing)進(jin)行(xing)積(ji)分(fen)，從(cong)而(er)不(bu)間(jian)斷(duan)地(di)算(suan)出(chu)SOC值。

總容量QMAX可以通過當電池在充電或放電前後電壓變化足夠小、處於全鬆馳狀態時的兩個OCV讀數算出。例如，電池放電前
，SOC可由下式得出：


電池放電且通過電荷為ΔQ時，SOC可由下式得出：

兩式相減得出：

從等式可以看出，無需經曆完全充電及放電的周期即可確定電池總容量。這也省去了電池組生產過程中耗費時間的電池學習周期。

RBAT(DOD
，T)表在放電過程中得到持續更新。IT利li用yong該gai表biao計ji算suan出chu在zai當dang前qian負fu載zai及ji溫wen度du條tiao件jian下xia，何he時shi達da到dao終zhong止zhi電dian壓ya。電dian池chi整zheng體ti阻zu抗kang隨sui著zhe電dian池chi老lao化hua和he充chong放fang電dian周zhou期qi的de增zeng加jia而er增zeng加jia。阻zu抗kang可ke由you下xia式shi得de出chu


有了電池阻抗信息，利用隻讀存儲器中的程序指令包含(inthefirmware)的電壓仿真算法就可以確定剩餘電量(RM)。仿真算法先算出當前SOCstart值，然後計算出在負載電流相同，且SOC值持續降低的情況下未來的電池電壓值。當仿真電池電壓VBAT(SOCI，T)達到電池終止電壓(典型值為3．OV)時

，獲取與此電壓對應的SOC值並記做SOCFINAL。

阻抗跟蹤單節電池電量監測計測試結果

阻抗跟蹤鋰離子單節電池組電路如圖2所示。通過BAT2引腳輸入端測量電池電壓，通過庫侖計數器差動信號輸入端(SRP及SRN)監測電流。係統利用電量監測計從單線SDQ通信端口獲得SOC及運行時間接近結束(Run-Time-to-Empty)等信息。



即使在負載變化的情況下，IT電量監測計也能正確預測電池的剩餘電量。例如
，數碼相機處於不同工作模式時
，電池的負載也不同。圖3顯示了IT電量監測計如何精確預測電池剩餘電量。剩餘電量預測的誤差率可小於1％。並且，由於用以預測剩餘電量的電池阻抗及老化作用能夠得到實時更新，故在電池整個使用壽命內均可保持這種微小誤差。


阻抗跟蹤電池電量監測計綜合了庫侖計數算法和電壓相關算法的優點

，實現了更高的電池電量監測精度。在放鬆狀態下測量OCV可以獲得準確的SOC值。由於所有自放電活動都在電池OCV降jiang低di過guo程cheng中zhong反fan應ying出chu來lai，所suo以yi無wu需xu進jin行xing自zi放fang電dian校xiao正zheng。當dang設she備bei處chu於yu活huo動dong模mo式shi且qie接jie入ru負fu載zai時shi
，開kai始shi執zhi行xing基ji於yu電dian流liu積ji分fen的de庫ku侖lun計ji數shu算suan法fa。電dian池chi阻zu抗kang通tong過guo實shi時shi測ce量liang得de到dao更geng新xin。