作者：德州儀器(TI) 模擬現場應用/電源管理工程師Keith Keller
德州儀器(TI) 電子工程首席設計工程師Michael Banak
所面臨的挑戰
在醫療系統中，穩定可靠的電源至關重要。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，較大的醫療設備都是使用鉛酸電池來提供不間斷的電源。事實上，他們還需要非常昂貴的復雜的動態系統，從而使醫療設備系統的體積變大、變得笨重而且很昂貴。現在有了最新一代電池電量監測電子產品，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而言，這就使醫療設備變得更小巧、更輕便。
鉛酸電池通常的替代產品為鎳氫(NiMH) 電池或鋰離子(Li-Ion) 化學電池，這兩種替代產品均可提供更好的能量密度。鋰離子電池利用更易揮發的化學成分提供了最高的能量密度，如果處理不當，這種化學成分可能會帶來一定的危險。就對于患者很關鍵的系統而言，無論使用哪種電池化學，精確預測剩余電量都是至關重要的。有了鋰離子電池，我們就可實現上述的最佳特性：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。我們只能根據經驗對單個電池隨著時間的推移而“老化”的程度進行猜測。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正極/陰極材料不斷增加的內部阻抗。鋰離子電池具有一些眾所周知的特性，如：阻抗與溫度的關系非常密切、在放電時阻抗會發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到系統終止電壓
圖2 充電電壓會影響電池使用壽命
適當地對鋰離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。
鋰離子電池阻抗與溫度密切相關，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鍵。在過去，要想利用電池組設計進行生產工作非常棘手。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式方程中使用的系數。只有知道各個電池的阻抗如何發生變化才能估計出上述放電特性。此外，傳統的電池電量監測器件需要“復位”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% 估計剩余電量實現的。作為一種改進，補償性放電終止電壓值(CEDV) 根據電池負載電流被用于修改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，設計人員了解到所報告的容量精確性可能會有高達20% 的偏差。由于電池可能會因為使用時間過長而意外老化，并有可能對由電量監測計估算以及提供給用戶的估計電量信息進行緩沖，設計人員可能會事先將實際需要的電量增加一倍。當然，一個穩定可靠的醫療系統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。”（當電池達到估計的7% 剩余電量電壓時就會出現該信息。）
解決方案
TI 推出的新一代阻抗跟蹤(Impedance TrackTM)算法技術解決了真實剩余電池電量報告的不準確性問題。該算法確定了鋰離子電池的充電狀態，并將下列參數作為整個電池模型的一部分來全面預測放電行為：
1、最初，電池總化學容量(Qmax) 就是產品說明書規定的容量（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”程序對已流入或流出電池的電荷數量進行測量/采集。
3、系統的當前負載電流（平均負載電流和峰值負載電流）。
4、由于單個電池阻抗在各種充電狀態下不盡相同，因此在提供電流的同時電池的內部阻抗會隨著溫度、電池老化的影響和放電的情況而變化。
5、在輕負載時(<C/20)對電池的開路“松弛”電壓進行測量，在一個采樣周期內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（在松弛狀態下）
2、監控負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/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% 的充電狀態密切相關；2)在充電過程中，電池電量監測計對1000mA 的電流進行了積分；3)得出的3.95V 開路電壓與93% 的充電狀態密切相關，該電池的真實容量為1206mAh (1000mA/83%)。利用1A電流進行充電時，如果電池電壓從3.6V 上升到3.8V，那么在10% 充電狀態和室溫條件下DC 阻抗為0.2 Q。如果系統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% 充電狀態的1A負載條件下還有大約7 分鐘的剩余電池電量。
在剛剛過去的幾年里，電子硬件實施得到了發展。最初的芯片組是由三個獨立的芯片組成：1)電池電量計微處理器；2)模擬前端(AFE)；以及3)二次過壓保護器。微處理器對電流進行了積分并運行電池電量計監測算法，并且還直接與AFE 通信。高壓容限AFE 利用集成的模數轉換器(ADC) 對電池電壓進行了測量，提供了過流保護并進行電池平衡。兩個芯片都能安全地獨立運行。第三級保護來自一個獨立的二次電壓保護器，對于一個永久性錯誤條件，該保護器會觸發一個化學保險絲（對于鋰離子電池而言，過壓是最危險的情況，因為其有可能會引起燃燒）。
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級復雜性和板級空間要求。與電池電量監測計的通信是通過SMBus 標準協議完成的（SMBuS 基于I2C通信協議）。如欲了解更多詳情，敬請訪問www.smbus.org。該電池電量監測計可以直接與一個兼容的電池充電器或微控制器進行通信。
阻抗跟蹤技術實際上就是一種更低成本的電池解決方案實施，該技術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，實現該功能都要花費數小時的時間。現在，所有下線的電池都利用一個稱為“黃金圖像”的工具進行了編程。在工程評估階段就完成了該文件的創建。該阻抗跟蹤算法將一直適合電池的狀態，因此電池在現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到99%。
結論
阻抗跟蹤電池電量測量技術可以使醫療工程組織利用比以往穩定的備用電池設計出的生命支持設備和便攜式設備更加可靠。更重要的是，該技術不但提供了大大改進的電量監測計監測精度，而且還去除了7% 估計剩余電量所必需的“復位”環節（在生命支持醫療應用中，該環節并不合乎實際）。其無需全面過分設計(over-engineer) 電池容量來滿足特定的備用期限，并且在生產階段無需重復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測剩余電量的關鍵。如前所述，最重要的電池老化效應是由于高溫以及以高于其最高額定電壓進行充電引起的，甚至以高于額定電壓50mV 的電壓進行充電也可能會使電池的使用壽命縮短一半。鋰離子電池內部阻抗會在正常使用充/放電周期內增加（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特性通過監控松弛和負載狀態下的電池電壓，并積分充/放電過程中的電流來監控這些老化因子。由于是連續監控，所以沒有必要對阻抗進行“猜測”，因此在整個電池使用壽命內都可以精確地計算真正的電池容量。
參考文獻
[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制》，電源期刊111 (2002) 130-136 ]
如欲下載TI 阻抗跟蹤解決方案(bq20z95) 的更多詳情或定購樣片或評估板(EVM)，敬請訪問：www.ti.com/impedancetrack。