发布于 2014年12月01日
在当今的高科技时期，移动德律风、PDA、条记本电脑、医疗设置配备布置以及测量仪器等便携式设置配备布置可谓到处可见。跟着便携式应用不断增加的向多元化、专有化、赋性化方面成长，有一点却一直未变，那就是悉数的便携式设置配备布置均靠电池供电。
在对系统的剩下运转时刻举办猜测的时刻，电池能够说是供电要害中最难理解的部分之一。跟着便携式应用数方针不断增加，咱们必要完成更多的要害性操纵，比如使用移动德律风举办账户处理、便携式数据记载器有必要保留相应的功效以应对彻底工作交代、医疗设置配备布置有必要完备保留必要监控的要害数据等等。
这篇文章将评论尽大约精确盘算剩下电池电量的重要性。令人遗憾的是，仅经过测量某些数据点乃至是电池电压无法抵达上述方针。温度、放电速率以及电池老化等浩繁要素都市影响充电状况。这篇文章将会集评论一种专利技术，该技术能够大约赞助计划职工测量锂电池的充电状况以及剩下电量。
现有的电池电量监测方法
目古人们重要使用两种监测方法：一种方法以电流积分(current integration)为根柢；而另一种则以电压测量为根柢。前者根据一种稳当的头脑，即要是对悉数电池的充、放电流举办积分，就能够得出剩下电量的大小。当电池刚充好电而且已知是彻底充电时，使用电流积分方法成果十分好。这种方法被乐成地运用于当今浩繁的电池电量监测进程中。
可是该方法有其本身的缺陷，格外是在电池长久不工作的使用模式下。要是电池在充电后几天都未使用，大约几个充、放电周期都没有充斥电，那么由内部化学反应致使的自放电现象就会变得十分显着。现在尚无方法能够测量自放电，所以有必要使用一个预界说的方程式对其举办校对。不同的电池模子有不同的自放电速率，这取决于充电状况(SOC)、温度以及电池的充放电循环汗青等要素。创立自放电的精确模子必要消耗相等长的时刻举办数据收集，即便多么仍不克不及保证成果的正确性。
该方法还存在另外一个标题，那就是只要在彻底充电后马上彻底放电，才能够大约更新总电量值。要是在电池寿数期内举办彻底放电的次数很少，那么在电量监测计更新实际电量值以前，电池的实在容量大约已经开端大幅下降。这会致使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率下举办了最新的更新，可用电量仍旧会随放电速率以及温度的改变而发生革新。
以电压为根柢的方法归于最早应用的方法之一，它仅需测量电池两级间的电压。该方法根据电池电压和剩下电量之间存在的某种已知关连。它看似直接，但却存在难点：在测量时期，只要在不施加任何负载的环境下，才存在这种电池电压与电量之间的俭朴联络联系。当施加负载时(这种环境发生在用户对电量感兴趣的大都环境下)，电池电压就会因为电池内部阻抗所致使的压降而发生失真。另外，即使去失了负载，发生在电池内部的张持进程(relaxation processe)也会在数小时内形成电压的一连革新。因为多种原因原由的存在，根据电池阻抗常识的压降校对方法仍存在标题，这篇文章会在稍后评论这些原因原由。
电池化学反应及电压相应
电池自个巨大的电化学反应致使其瞬态电压相应。图1a体现了从锂离子电池的电极开端的电荷转移底子步骤(另外电池的步骤与其相同)。
电荷有必要起首以电子的形式穿越贮存能量的电化学活性材料(阳极或阴极)，在抵达粒子表面后以离子的形式存储于电解液中。这些化学步骤与电池电压相应的时刻常数相干。图 1b体现了电池的阻抗领域，时刻常数的领域从数毫秒到数小时不等。
在时域中，这意味着施加负载后，电池电压将随时刻的推移以不同速率逐渐失落，而且在去掉负载后逐渐升高。图2体现了在不同的充电状况下，对锂离子电池施加负载后的电压张弛环境。
思量到根据电压的电池电量监测会发生误差，咱们假定能够经过减去IR压降来校对带负载的电压，然后经过使用校对后的电压值来获取当时的SOC。咱们将要遇到的第一个标题就是：R值取决于SOC。要是使用均匀值，那么在险些彻底放电的状况下(此刻阻抗是充电状况下的10倍以上)，对SOC的估测误差将抵达100%。处理该题方针一个办法是凭证SOC在不同负载下使用多元电压表。阻抗同样在很大水平取决于温度(温度每失落10C，阻抗增加1.5倍)，这种相互关连应当添加到表格中，而这也就使得运算进程极为巨大。
电池电压具有瞬态相应特性，而这意味着有用的R值取决于负载的加载时刻，清楚明了咱们能够将内部阻抗俭朴视为欧姆电阻而无需思量时刻要素，因为即使电压表中思量到了R和SOC的相干性，负载的革新也将致使严肃误差。因为SOC(V)函数的斜率取决于SOC，所以瞬态误差的领域将从放电状况下的50%到充电进程中的14%不等。
不同电池间阻抗的革新加大了环境的巨大性。即使是复活产的电池也会存在15%的低频DC阻抗革新，这在高负载的电压校对中形成很大不同。比如，在通常的1/2C充放电电流、2Ah 电池模范DC阻抗约为0.15Ω的环境下，最差时会在电池间发生45mV的校对电压不同，而对应的SOC估测误差则抵达了20%。
末端，当电池老化时，一个与阻抗相干的最大标题也随即呈现。尽人皆知，阻抗的增加要比电池电量的失落显着得多。模范的锂离子电池70个充放电循环后，DC 阻抗会前进一倍，而相同周期的无负载电量仅会下降2%～3%。根据电压的算法彷佛在新电池组上很有用，可是要是不思量上述要素，在电池组只抵达使用寿数的15%时(估计500个充放电周期)就会发生严肃的误差(误差为 50％)。
两种方法扬长避短
TI在下一代电量监测算法拓荒中选取了电流法和电压法各自的利益。该公司稳重思量了这个看似理所当然，但迄今为止尚人进入的计划：将电流法和电压法相联合，凭证不怜惜况使用体现最为杰出的方法。因为开路电压与SOC之间存在十分精确的相干性，所以在无负载和电源处于张弛状况的环境下，这种方法能够完成精确的SOC预算。另外，该方法也使得有机遇使用不工作期(任何靠电池供电的设置配备布置都市有不工作期)来根究SOC切当的“肇始方位”。因为设置配备布置接通时能够知道精确的SOC，所以该方法免去了在不工作期对自放电校对的需要。当设置配备布置进入工作状况而且给电池施加负载时，则转而使用电流积分法。该方法无需对负载下的压降举办巨大且不精确的补偿，因为库仑计数(coulomb-counting)从运转初始就不断在跟踪SOC的革新。
这种方法还能够用来对彻底充电的电量举办更新吗？答案是必定的。依靠施加负载前SOC的百分比信息、施加负载后的SOC(两者均在张弛状况下经过电压测量得到)，以及二者之间传输的电荷量，咱们能够很轻松地确定在特定充电革新环境下对应于SOC改变的总电量。不管传输电量多大、肇始条件如何(无需彻底充电)，这点都能够完成。多么就无需在格外条件下更新电量，然后阻止了电流积分算法的又一缺陷。
该方法不光处理了SOC标题，然后彻底阻止了电池阻抗的影响，而且还被用来完成其他方针。经过该方法能够更新对应于“无负载”条件下的总电量，比如能够被提取的最大大约电量。因为IR 失落，非零负载下的电量也将失落，而且在有负载环境下抵达端接电压值的时刻缩短。要是SOC和温度的阻抗关连式已知，那么有大约凭证俭朴的建模来确定在观察到的负载和温度下何时能够大约抵达端接电压。可是，正如前文所说到的，阻抗取决于电池，而且会跟着电池老化以及充放电次数的增加而疾速前进，所以仅将其存储在数据库中并没有多大用途。为相识决这个标题，TI计划了一种能够完成及时阻抗测量的IC，而及时测量则能够大约连结数据库的接连更新。这种就处理了电池间的阻抗不同以及电池老化标题(如图3所示)。阻抗数据的及时更新使得在指定负载下，能够对电压环境举办精确猜测。
在大大都环境下，使用该方法能够将可用电量的预算误差率失落到1%以下，而最为重要的是，在电池组的全部使用寿数内都能够抵达高精度。
即插即用是自适应算法带来的另一大利益，该算法的实施不再必要供给描摹阻抗与SOC 以及温度之间关连的数据库，因为这一数据将经过及时测量得到。用于自放电校对的数据库也不再必要，不过仍必要界说了开路电压与SOC(包罗温度)关连的数据库。可是，这方面的关连由正负极系统的化学性质决议，而不由具体的电池类型计划要素（如电解液、涣散器、活性材料厚度以及添加剂）决议。因为大都电池厂商使用相同的活性材料（LiCoO2 以及石墨），因而他们的V(SOC,T)关连式底子相同。实施成果支撑上述结论。图4 体现了不同厂商出产的电池在无负载状况下的电压比力。
能够看出它们的电压值很接近，误差不过5mV，由此可知在最差环境下SOC的误差也不过1.5%。要是拓荒一种新电池，仅必要创立一个新的数据库，而不像现在必要数百个用于不同电池类型的数据库。多么就简化了电量监测计处理计划在各种终端设置配备布置中的实施进程，且数据库并不依靠于所使用的电池。即使接纳不同范例或不同厂商出产的电池，也没有必要从头编程。多么，在完成电池监控IC即插即用的一起，精确度及可靠性也相应前进。