作者：德州儀器(TI) 模擬現(xiàn)場應(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,。為了保證有一個不間斷的電源,，我們使用了一個備用電池。在過去,，較大的醫(yī)療設(shè)備都是使用鉛酸電池來提供不間斷的電源,。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,。相對于過去的鉛酸電池技術(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)成分可能會帶來一定的危險。就對于患者很關(guān)鍵的系統(tǒng)而言,，無論使用哪種電池化學(xué),，精確預(yù)測剩余電量都是至關(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量電子產(chǎn)品,，其報告的剩余電量誤差會隨著時間的推移而逐漸加大,。我們只能根據(jù)經(jīng)驗(yàn)對單個電池隨著時間的推移而“老化”的程度進(jìn)行猜測。鋰離子電池的可用電量會隨時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、在放電時阻抗會發(fā)生變化以及高溫和快速過壓充電會使電池容量大大下降,。100 個充/放電周期以后電池的內(nèi)部阻抗[1]會增加一倍,，如圖1 所示（流入或流出電池的電量超過70% 即定義為一個周期）。甚至以超過4.2V 最大電池電壓50mV 的電壓進(jìn)行充電也會使電池的使用壽命縮短一半[1]（請參見圖2）,。從室溫到0 攝氏度[1]放電超過80% 的電池的阻抗將會增加5 倍（從N300mOhrn 增加到超過1.50hm DC 阻抗）,，請參見圖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較早地達(dá)到系統(tǒng)終止電壓
圖2 充電電壓會影響電池使用壽命
適當(dāng)?shù)貙︿囯x子電池充電需要高精度充電電壓,。過充電會縮短電池使用壽命,。
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阻抗就會下降大約1.5 倍,。
阻抗是整個方程式的關(guān)鍵。在過去,，要想利用電池組設(shè)計進(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多項(xiàng)式方程中使用的系數(shù)。只有知道各個電池的阻抗如何發(fā)生變化才能估計出上述放電特性,。此外,，傳統(tǒng)的電池電量監(jiān)測器件需要“復(fù)位”電池組在近乎完全放電時的最大容量。通常,，這是由一個7% 的特定電壓脫扣(trip) 和3% 估計剩余電量實(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% 估計剩余電量,，這只是基于電壓測量值,。
解決了所有這些不確定因素以后,，設(shè)計人員了解到所報告的容量精確性可能會有高達(dá)20% 的偏差。由于電池可能會因?yàn)槭褂脮r間過長而意外老化,，并有可能對由電量監(jiān)測計估算以及提供給用戶的估計電量信息進(jìn)行緩沖,，設(shè)計人員可能會事先將實(shí)際需要的電量增加一倍。當(dāng)然,，一個穩(wěn)定可靠的醫(yī)療系統(tǒng)不會像膝上型電腦那樣報告剩余電量：“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)到估計的7% 剩余電量電壓時就會出現(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)剩余電池電量報告的不準(zhǔn)確性問題,。該算法確定了鋰離子電池的充電狀態(tài)，并將下列參數(shù)作為整個電池模型的一部分來全面預(yù)測放電行為：
1,、最初,，電池總化學(xué)容量(Qmax) 就是產(chǎn)品說明書規(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)測計會在電池的第一個充/放電周期以后自動更新,。
2、由“庫侖計數(shù)”程序?qū)σ蚜魅牖蛄鞒鲭姵氐碾姾蓴?shù)量進(jìn)行測量/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電池的內(nèi)部阻抗會隨著溫度、電池老化的影響和放電的情況而變化,。
5,、在輕負(fù)載時(<C/20)對電池的開路“松弛”電壓進(jìn)行測量，在一個采樣周期內(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可由下列方法計算得出：
1,、測量電池開路電壓（在松弛狀態(tài)下）
2,、監(jiān)控負(fù)載時的電池電壓曲線（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)在充電過程中,，電池電量監(jiān)測計對1000mA 的電流進(jìn)行了積分,；3)得出的3.95V 開路電壓與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,，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,，那么阻抗跟蹤將會計算并報告在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獨(dú)立的芯片組成：1)電池電量計微處理器；2)模擬前端(AFE),；以及3)二次過壓保護(hù)器,。微處理器對電流進(jìn)行了積分并運(yùn)行電池電量計監(jiān)測算法，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) 對電池電壓進(jìn)行了測量,，提供了過流保護(hù)并進(jìn)行電池平衡,。兩個芯片都能安全地獨(dú)立運(yùn)行,。第三級保護(hù)來自一個獨(dú)立的二次電壓保護(hù)器，對于一個永久性錯誤條件,，該保護(hù)器會觸發(fā)一個化學(xué)保險絲（對于鋰離子電池而言,，過壓是最危險的情況，因?yàn)槠溆锌赡軙鹑紵?/p>
最新一代鋰離子電池容量指示器在一個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)級復(fù)雜性和板級空間要求,。與電池電量監(jiān)測計的通信是通過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,，敬請訪問www.smbus.org,。該電池電量監(jiān)測計可以直接與一個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)無需使用電池自動記憶周期功能,。對于所有大容量電池而言，實(shí)現(xiàn)該功能都要花費(fèi)數(shù)小時的時間?，F(xiàn)在,，所有下線的電池都利用一個稱為“黃金圖像”的工具進(jìn)行了編程。在工程評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)場的第一次放電期間，阻抗跟蹤會在電池的第一個40% 放電或充電中精確記憶真正的電池組容量。之后,，所報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)測計監(jiān)測精度,，而且還去除了7% 估計剩余電量所必需的“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）,。其無需全面過分設(shè)計(over-engineer) 電池容量來滿足特定的備用期限,，并且在生產(chǎn)階段無需重復(fù)每一個電池組從而提供了更低成本的解決方案。
了解并跟蹤單個電池阻抗是精確預(yù)測剩余電量的關(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)行充電也可能會使電池的使用壽命縮短一半,。鋰離子電池內(nèi)部阻抗會在正常使用充/放電周期內(nèi)增加（老化）,，并且阻抗在低溫時會大大增加（而不會縮短使用壽命）。
阻抗跟蹤算法的自適應(yīng)特性通過監(jiān)控松弛和負(fù)載狀態(tài)下的電池電壓,，并積分充/放電過程中的電流來監(jiān)控這些老化因子,。由于是連續(xù)監(jiān)控，所以沒有必要對阻抗進(jìn)行“猜測”,，因此在整個電池使用壽命內(nèi)都可以精確地計算真正的電池容量,。
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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