为多单元的锂电池包设计电量测定计

随着功能集成和技术融合趋势的继续，笔记本电脑、蜂窝电话和媒体播放器等便携式设备对电源有日益增加的要求。锂电池—这些设备的主要可充电电源—在满足便携式设备对电源的要求上面临严峻的挑战。虽然在新的电源中正寻求时代的进步，系统设计工程师还应该完全发掘现有电池技术的潜力。这不仅仅是对电池本身施加了更大的压力，而且要加强采用精确的电池电量测定(Fuel Gauge)方法，以最大限度地发挥电池的潜能。
许多移动应用，如无线帐号管理、数据处理和医疗监测，都依赖于精确的剩余电池电量信息，以防止因电池能量耗尽而出现意外关机。然而，在遍及电池生命期期间、整个工作温度范围内及各种负载用法的情况下，许多终端用户、甚至一些系统设计工程师要提供精确的剩余电池电量信息常常面临无法估计的挑战。本文介绍如何利用TI公司称为Impedance Track(阻抗跟踪)的电量测定技术来应对上述挑战，并给出了一个三串联、两并联电池包解决方案的设计实例。
现有电池电量测定方法存在的问题
人们对锂电池存在一种误解，认为电池使用时间的缩短主要是因为电池电量的枯竭。与这种习以为常的思维相反，造成问题的不是电量的损失，而是电池阻抗的增加。图1所示为100个(充电和放电)循环之后，电池电量下降到不足5%，与此同时，电池的内部直流阻抗R(Z)却增加了两倍。已经老化的电池具有较高的阻抗，对于给定的负载电流而言，其直接影响是内部电压降更大，结果，已老化电池比新电池更早地到达了最小系统工作电压(或终止电压)。

传统的电量测定技术主要以测量电压和库仑计算算法为基础，在测定性能上有明显的局限性。首先，由于成本低且设计简单，以电压为基础的方案被广泛地用于手持设备中，但是，随着时间的推移，它会受到电池阻抗变化的影响，动态负载条件和温度变化可能致使测定的误差高达50%。其次，库仑计算方案采取一种替代的方法，通过连续地对库仑进行积分以计算所消耗的电荷及电荷的状态(SOC)。由于预先掌握满电量的情况，从而可以获得剩余电量，这种方法的一个缺点是难以精确地模拟自放电。由于没有周期性的满循环校准，测定误差会随着时间的推移而增加。此外，这两种算法都没有解决电池阻抗变化的问题。为了避免老化的电池单元造成意外的关机，设计工程师必须过早地终止系统的工作。这样做会让新电池浪费大量的电能。