作者：德州儀器(TI) 模擬現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用/電源管理工程師Keith Keller
德州儀器(TI) 電子工程首席設(shè)計(jì)工程師Michael Banak
所面臨的挑戰(zhàn)
在醫(yī)療系統(tǒng)中，穩(wěn)定可靠的電源至關(guān)重要。為了保證有一個(gè)不間斷的電源，我們使用了一個(gè)備用電池。在過(guò)去，較大的醫(yī)療設(shè)備都是使用鉛酸電池來(lái)提供不間斷的電源。事實(shí)上，他們還需要非常昂貴的復(fù)雜的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，從而使醫(yī)療設(shè)備系統(tǒng)的體積變大、變得笨重而且很昂貴。現(xiàn)在有了最新一代電池電量監(jiān)測(cè)電子產(chǎn)品，我們就可以放心地使用鋰離子(Li-Ion) 電池以便精確地確定可用電量。相對(duì)于過(guò)去的鉛酸電池技術(shù)而言，這就使醫(yī)療設(shè)備變得更小巧、更輕便。
鉛酸電池通常的替代產(chǎn)品為鎳氫(NiMH) 電池或鋰離子(Li-Ion) 化學(xué)電池，這兩種替代產(chǎn)品均可提供更好的能量密度。鋰離子電池利用更易揮發(fā)的化學(xué)成分提供了最高的能量密度，如果處理不當(dāng)，這種化學(xué)成分可能會(huì)帶來(lái)一定的危險(xiǎn)。就對(duì)于患者很關(guān)鍵的系統(tǒng)而言，無(wú)論使用哪種電池化學(xué)，精確預(yù)測(cè)剩余電量都是至關(guān)重要的。有了鋰離子電池，我們就可實(shí)現(xiàn)上述的最佳特性：精確地了解電池電量和最高的能量密度。
利用以前的電池電量測(cè)量電子產(chǎn)品，其報(bào)告的剩余電量誤差會(huì)隨著時(shí)間的推移而逐漸加大。我們只能根據(jù)經(jīng)驗(yàn)對(duì)單個(gè)電池隨著時(shí)間的推移而“老化”的程度進(jìn)行猜測(cè)。鋰離子電池的可用電量會(huì)隨時(shí)間推移而下降的主要原因在于電解質(zhì)正極/陰極材料不斷增加的內(nèi)部阻抗。鋰離子電池具有一些眾所周知的特性，如：阻抗與溫度的關(guān)系非常密切、在放電時(shí)阻抗會(huì)發(fā)生變化以及高溫和快速過(guò)壓充電會(huì)使電池容量大大下降。100 個(gè)充/放電周期以后電池的內(nèi)部阻抗[1]會(huì)增加一倍，如圖1 所示（流入或流出電池的電量超過(guò)70% 即定義為一個(gè)周期）。甚至以超過(guò)4.2V 最大電池電壓50mV 的電壓進(jìn)行充電也會(huì)使電池的使用壽命縮短一半[1]（請(qǐng)參見(jiàn)圖2）。從室溫到0 攝氏度[1]放電超過(guò)80% 的電池的阻抗將會(huì)增加5 倍（從N300mOhrn 增加到超過(guò)1.50hm DC 阻抗），請(qǐng)參見(jiàn)圖3。
圖1 阻抗隨充/放電老化而變化
具有更高阻抗的老化鋰離子電會(huì)較早地達(dá)到系統(tǒng)終止電壓
圖2 充電電壓會(huì)影響電池使用壽命
適當(dāng)?shù)貙?duì)鋰離子電池充電需要高精度充電電壓。過(guò)充電會(huì)縮短電池使用壽命。
圖3 鋰離子電池阻抗與溫度和放電深度(DOD) 密切相關(guān)。
鋰離子電池阻抗與溫度密切相關(guān)，溫度每增加10oC阻抗就會(huì)下降大約1.5 倍。
阻抗是整個(gè)方程式的關(guān)鍵。在過(guò)去，要想利用電池組設(shè)計(jì)進(jìn)行生產(chǎn)工作非常棘手。需要獲得在最低/室溫/最高溫度下的典型放電特性以生成放電估計(jì)多項(xiàng)式方程中使用的系數(shù)。只有知道各個(gè)電池的阻抗如何發(fā)生變化才能估計(jì)出上述放電特性。此外，傳統(tǒng)的電池電量監(jiān)測(cè)器件需要“復(fù)位”電池組在近乎完全放電時(shí)的最大容量。通常，這是由一個(gè)7% 的特定電壓脫扣(trip) 和3% 估計(jì)剩余電量實(shí)現(xiàn)的。作為一種改進(jìn)，補(bǔ)償性放電終止電壓值(CEDV) 根據(jù)電池負(fù)載電流被用于修改7% 的脫扣電壓和3% 估計(jì)剩余電量，這只是基于電壓測(cè)量值。
解決了所有這些不確定因素以后，設(shè)計(jì)人員了解到所報(bào)告的容量精確性可能會(huì)有高達(dá)20% 的偏差。由于電池可能會(huì)因?yàn)槭褂脮r(shí)間過(guò)長(zhǎng)而意外老化，并有可能對(duì)由電量監(jiān)測(cè)計(jì)估算以及提供給用戶的估計(jì)電量信息進(jìn)行緩沖，設(shè)計(jì)人員可能會(huì)事先將實(shí)際需要的電量增加一倍。當(dāng)然，一個(gè)穩(wěn)定可靠的醫(yī)療系統(tǒng)不會(huì)像膝上型電腦那樣報(bào)告剩余電量：“還有20 分鐘的剩余電量，您需要立即插上電源。”（當(dāng)電池達(dá)到估計(jì)的7% 剩余電量電壓時(shí)就會(huì)出現(xiàn)該信息。）
解決方案
TI 推出的新一代阻抗跟蹤(Impedance TrackTM)算法技術(shù)解決了真實(shí)剩余電池電量報(bào)告的不準(zhǔn)確性問(wèn)題。該算法確定了鋰離子電池的充電狀態(tài)，并將下列參數(shù)作為整個(gè)電池模型的一部分來(lái)全面預(yù)測(cè)放電行為：
1、最初，電池總化學(xué)容量(Qmax) 就是產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)規(guī)定的容量（例如，18650圓柱形鋰離子電池的容量為2400mAhr），但是電池電量監(jiān)測(cè)計(jì)會(huì)在電池的第一個(gè)充/放電周期以后自動(dòng)更新。
2、由“庫(kù)侖計(jì)數(shù)”程序?qū)σ蚜魅牖蛄鞒鲭姵氐碾姾蓴?shù)量進(jìn)行測(cè)量/采集。
3、系統(tǒng)的當(dāng)前負(fù)載電流（平均負(fù)載電流和峰值負(fù)載電流）。
4、由于單個(gè)電池阻抗在各種充電狀態(tài)下不盡相同，因此在提供電流的同時(shí)電池的內(nèi)部阻抗會(huì)隨著溫度、電池老化的影響和放電的情況而變化。
5、在輕負(fù)載時(shí)(<C/20)對(duì)電池的開(kāi)路“松弛”電壓進(jìn)行測(cè)量，在一個(gè)采樣周期內(nèi)電池電壓不到幾毫伏。完全充電后，所需的休息周期比電池深度耗盡后要短。
精確的電池容量估計(jì)可由下列方法計(jì)算得出：
1、測(cè)量電池開(kāi)路電壓（在松弛狀態(tài)下）
2、監(jiān)控負(fù)載時(shí)的電池電壓曲線（找出電池阻抗）以及
3、積分流入和流出電池的電流。
采用完全相同的化學(xué)/陽(yáng)極/陰極材料的鋰離子電池具有非常相似的松弛電壓/充電狀態(tài)曲線。令人驚訝的是，其不會(huì)因電池制造的不同而不同。這就使我們可以確定電池的最大容量和電池的剩余容量。
例如，如果您已知：1)3.6V松弛電壓與10% 的充電狀態(tài)密切相關(guān)；2)在充電過(guò)程中，電池電量監(jiān)測(cè)計(jì)對(duì)1000mA 的電流進(jìn)行了積分；3)得出的3.95V 開(kāi)路電壓與93% 的充電狀態(tài)密切相關(guān)，該電池的真實(shí)容量為1206mAh (1000mA/83%)。利用1A電流進(jìn)行充電時(shí)，如果電池電壓從3.6V 上升到3.8V，那么在10% 充電狀態(tài)和室溫條件下DC 阻抗為0.2 Q。如果系統(tǒng)可以容許的最小電壓為3V，那么阻抗跟蹤將會(huì)計(jì)算并報(bào)告在10% 充電狀態(tài)的1A負(fù)載條件下還有大約7 分鐘的剩余電池電量。
在剛剛過(guò)去的幾年里，電子硬件實(shí)施得到了發(fā)展。最初的芯片組是由三個(gè)獨(dú)立的芯片組成：1)電池電量計(jì)微處理器；2)模擬前端(AFE)；以及3)二次過(guò)壓保護(hù)器。微處理器對(duì)電流進(jìn)行了積分并運(yùn)行電池電量計(jì)監(jiān)測(cè)算法，并且還直接與AFE 通信。高壓容限AFE 利用集成的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC) 對(duì)電池電壓進(jìn)行了測(cè)量，提供了過(guò)流保護(hù)并進(jìn)行電池平衡。兩個(gè)芯片都能安全地獨(dú)立運(yùn)行。第三級(jí)保護(hù)來(lái)自一個(gè)獨(dú)立的二次電壓保護(hù)器，對(duì)于一個(gè)永久性錯(cuò)誤條件，該保護(hù)器會(huì)觸發(fā)一個(gè)化學(xué)保險(xiǎn)絲（對(duì)于鋰離子電池而言，過(guò)壓是最危險(xiǎn)的情況，因?yàn)槠溆锌赡軙?huì)引起燃燒）。
最新一代鋰離子電池容量指示器在一個(gè)塑料封裝中集成了微控制器和AFE 芯片，從而大大降低了系統(tǒng)級(jí)復(fù)雜性和板級(jí)空間要求。與電池電量監(jiān)測(cè)計(jì)的通信是通過(guò)SMBus 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議完成的（SMBuS 基于I2C通信協(xié)議）。如欲了解更多詳情，敬請(qǐng)?jiān)L問(wèn)www.smbus.org。該電池電量監(jiān)測(cè)計(jì)可以直接與一個(gè)兼容的電池充電器或微控制器進(jìn)行通信。
阻抗跟蹤技術(shù)實(shí)際上就是一種更低成本的電池解決方案實(shí)施，該技術(shù)無(wú)需使用電池自動(dòng)記憶周期功能。對(duì)于所有大容量電池而言，實(shí)現(xiàn)該功能都要花費(fèi)數(shù)小時(shí)的時(shí)間。現(xiàn)在，所有下線的電池都利用一個(gè)稱為“黃金圖像”的工具進(jìn)行了編程。在工程評(píng)估階段就完成了該文件的創(chuàng)建。該阻抗跟蹤算法將一直適合電池的狀態(tài)，因此電池在現(xiàn)場(chǎng)的第一次放電期間，阻抗跟蹤會(huì)在電池的第一個(gè)40% 放電或充電中精確記憶真正的電池組容量。之后，所報(bào)告的電池容量精確度將達(dá)到99%。
結(jié)論
阻抗跟蹤電池電量測(cè)量技術(shù)可以使醫(yī)療工程組織利用比以往穩(wěn)定的備用電池設(shè)計(jì)出的生命支持設(shè)備和便攜式設(shè)備更加可靠。更重要的是，該技術(shù)不但提供了大大改進(jìn)的電量監(jiān)測(cè)計(jì)監(jiān)測(cè)精度，而且還去除了7% 估計(jì)剩余電量所必需的“復(fù)位”環(huán)節(jié)（在生命支持醫(yī)療應(yīng)用中，該環(huán)節(jié)并不合乎實(shí)際）。其無(wú)需全面過(guò)分設(shè)計(jì)(over-engineer) 電池容量來(lái)滿足特定的備用期限，并且在生產(chǎn)階段無(wú)需重復(fù)每一個(gè)電池組從而提供了更低成本的解決方案。
了解并跟蹤單個(gè)電池阻抗是精確預(yù)測(cè)剩余電量的關(guān)鍵。如前所述，最重要的電池老化效應(yīng)是由于高溫以及以高于其最高額定電壓進(jìn)行充電引起的，甚至以高于額定電壓50mV 的電壓進(jìn)行充電也可能會(huì)使電池的使用壽命縮短一半。鋰離子電池內(nèi)部阻抗會(huì)在正常使用充/放電周期內(nèi)增加（老化），并且阻抗在低溫時(shí)會(huì)大大增加（而不會(huì)縮短使用壽命）。
阻抗跟蹤算法的自適應(yīng)特性通過(guò)監(jiān)控松弛和負(fù)載狀態(tài)下的電池電壓，并積分充/放電過(guò)程中的電流來(lái)監(jiān)控這些老化因子。由于是連續(xù)監(jiān)控，所以沒(méi)有必要對(duì)阻抗進(jìn)行“猜測(cè)”，因此在整個(gè)電池使用壽命內(nèi)都可以精確地計(jì)算真正的電池容量。
參考文獻(xiàn)
[1]《影響周期壽命的因素以及基于LiCoO2 的鋰離子電池的潛在老化機(jī)制》，電源期刊111 (2002) 130-136 ]
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