利用現(xiàn)代智能電池技術(shù)延長電池壽命

Atmel公司 Morten Reintz

首先是電池老化問題。鋰離子電池從制造時開始即使不用，也會逐漸丟失掉其全部電荷容量（FCC）。這種老化率取決于溫度和電池的充電狀態(tài)。膝上型PC電池經(jīng)常存放于辦公環(huán)境，即100%充電和室溫條件。這種條件下，電池組每年將失掉其FCC的20%。溫度高于25℃時，失電會更嚴重。此問題可以通過降低存放時的溫度和充電狀態(tài)得到解決。在40%容量和0℃下，電池每年失掉的電量約為其FCC的4%，但這將挑戰(zhàn)靈活便攜式應(yīng)用的工作點。顯然，鋰離子電池的實際使用壽命要比預期的短。

決定鋰離子電池組處于健康狀態(tài)的另一個因素是周期壽命，即電池在其電量大為減低前所耐受的充/放電周期數(shù)。鋰離子電池具有低維護性，是指它們不需要用戶對電池“深循環(huán)（deep cycle）”，如同NiCd或NiMH電池的情形一樣。事實上，每一個深放電周期都會實際增加電池的阻抗，減少其容量。鋰離子電池在電壓水平低于某一值（傳統(tǒng)上為2V）時會損壞。的技術(shù)發(fā)展進一步降低了這個電壓值，但它仍然存在。當電池阻抗增加時，電流負載會使電池電壓很快降到這種低電平，減少了電池在需要進行充電前的有效運行時間。此外，周期壽命也會隨溫度升高而縮短。

早期智能電源管理系統(tǒng)

膝上型PC用戶肯定不想把PC電池組存放到冰箱里，也不想在電源用完前，總是擔心電池的剩余使用時間。為此，電源設(shè)計師設(shè)計出膝上型電源管理系統(tǒng)來計算電池使用壽命，并反饋回一個可靠的剩余使用時間。這一功能以往由膝上型PC承擔，但現(xiàn)如今通常由電池自身內(nèi)部完成。為了對電池組的FCC和周期壽命作出一個很好的估計，電源管理系統(tǒng)需要了解電池的老化程度和已經(jīng)循環(huán)使用的次數(shù)。PC的使用壽命要比電池組長，不會只用一塊電池，所以將以上所說的那些電池組參數(shù)存放于電池本身，要比存放在PC中更加合適。其他一些有助于增強估計準確性的參數(shù)還有溫度日志記錄和周期性電池阻抗測量值。

使用現(xiàn)代智能電池技術(shù)是增加電池容量的一種可行方案。早期和現(xiàn)今的一些電池管理系統(tǒng)，并沒有對電池做特定實時FCC評估所必需的一些參數(shù)進行跟蹤。這種系統(tǒng)提供的是一種剩余電量估計，不考慮電池的退化狀態(tài)。這種剩余電量估計會隨時間的推移而變得越來越不準確，結(jié)果會產(chǎn)生兩種情形。一種情形是如果剩余電量估值過為樂觀，那么電池在失效后，而PC屏幕上仍然顯示電池還有使用時間。這種情況通常造成用戶的不滿，因而常常被設(shè)計人員所回避。另一種情形是剩余電量估值過為悲觀，這種方法雖然不會出現(xiàn)電池提前結(jié)束壽命的情況，但會對剩余電量造成一定的浪費。很多電池設(shè)計者還是傾向于采用悲觀估計法。 庫侖計數(shù)法

保持對電池組FCC的實時預估將為剩余電量估計提供一個更為準確的基礎(chǔ)。這將使電池組設(shè)計人員可以減少剩余電量估計的“保護區(qū)域”，進而增加用戶從電池組獲取電能的實際時間。
保持實時FCC估計并不是現(xiàn)代智能電池技術(shù)所面臨的挑戰(zhàn)的終結(jié)。用戶關(guān)注的是剩余的穩(wěn)定功率時間，這個數(shù)字取決于電池的充電狀態(tài)，充電狀態(tài)等于電池的FCC減掉到目前為止所消耗掉的功率。此外，剩余時間是一個取決于電池電流負載的估值。用戶通過無線LAN以全亮度方式在其LCD屏上播放TV節(jié)目流時消耗的電量，要比在只進行文檔操作而沒有其他周邊設(shè)備運行的情況下大得多。處在發(fā)展中的電池監(jiān)控系統(tǒng)由電池電壓估計充電狀態(tài)。這種方法對于PC電池應(yīng)用也不夠。電池需要時刻跟蹤流入或流出其中的電流，并記錄其總量。這種監(jiān)控方式稱為庫侖計數(shù)（Coulomb Counting），見圖2，它需要積分或累加ADC固定地監(jiān)控流入或流出電池的電流。通過庫侖計數(shù)，電池可以知道自身還剩余了多少電量。知道了剩余電量，剩余時間便可以從電流負載的連續(xù)測量中估計出來。

總之，現(xiàn)代智能電池技術(shù)必須能夠告訴用戶在當前負載下，電池還能使用多長時間。為使這一估值盡量，電池需要：

⑴ 使用高分辨率ADC監(jiān)視當前負載；

⑵ 使用庫侖計數(shù)器計算剩余電量；

⑶ 利用周期計數(shù)器（通常是存儲在EEPROM中的一個值）、電池壽命、溫度日志記錄、基于同步電壓電流測量的實時電池阻抗等參數(shù)計算電池全充電量。

提供給用戶的終使用時間將由電池計算FCC后留下來的充電狀態(tài)計算得出，它取決于電池上的當前負載，同時還要考慮電池阻抗因素，以避免損壞性的低電壓出現(xiàn)。

用庫侖計數(shù)方法實現(xiàn)剩余電量計算是一項極大的挑戰(zhàn)。它要求有耐高壓的專用模擬電路用于監(jiān)控，有非易失存儲器用于參數(shù)存儲以及功能強大的CPU來進行計算。Atmel公司提供的Atmega 406智能電池MCU可以實現(xiàn)庫侖計數(shù)方案。

Atmega 406具有一個片上電壓調(diào)節(jié)器，能夠直接由PC電池以4～25V的范圍供電。它有四個差分耐高壓ADC通道，能夠?qū)Χ噙_四個鋰離子電池進行單獨監(jiān)控。Atmega 406里面有一個自動累加雙向庫侖計數(shù)器，每秒產(chǎn)生一個18位的累加值。對于電壓和溫度測量，有一個13位的Sigma/Delta ADC。Atmega 406基于常用的AVR（R）8位RISC架構(gòu)，具有40kB片上程序閃存和512B 的EEPROM（用于存儲參數(shù)）。器件配備SM-bus通信功能，采用48引線的LQFP封裝。另外還特設(shè)獨立的電池保護電路。

小結(jié)

智能電池內(nèi)部微電子技術(shù)的巧妙運用，為電池組用戶帶來了很多方便。智能電源管理系統(tǒng)的一種簡潔實現(xiàn)方案就是不用了解電池充電狀態(tài)，而在電池使用壽命到達之前就關(guān)斷，或是顯示比實際所能提供的電量略少的電量。另外一種成熟的方案即庫侖計數(shù)，能對電池的壽命、使用歷史、負載和充電狀態(tài)等參數(shù)進行跟蹤計算，為用戶提供一個的安全剩余使用時間估計。