针对单节电池供电手持应用的主机侧电量监测计系统设计

只看该作者 · 2012-4-22 22:16

作者：德州仪器 (TI) 电池管理应用经理钱金荣、电池管理应用工程师 Michael Vega
引言
人们希望能够确定手持终端设备的电池剩余电量，如智能电话、便携式媒体播放器 (PMP) 以及个人数字助理 (PDA)。虽然许多手持终端便携式设备均已采用电压测量方法来估计剩余的电池电量，但在一些应用中需要有一种更为精确的剩余电量测量方法已变得至关重要。从这一方面来说，主机侧电池电量监测计比传统的电池组侧电池电量监测计更具吸引力，这是因为当原装电池电量耗尽时其可以降低一个新电池组的成本。本文着重阐述了提高电量监测计精度以及主机侧电池管理设计的考虑因素，如高精度 Impedance Track™ 电量监测计、电池插入以及与电池充电系统的协调运行。
现有电量测量技术存在的问题
传统的电量监测计位于电池组的内部（如图 1 所示）且通常与锂离子电池相连接。该电量监测计不但会监控充放电活动，而且还使用一个嵌入式算法来报告剩余的电池电量。当电池电量耗尽以后，该电池以及电池组电子电路将被我们一起扔掉，这样就使仍运行良好的电量监测计浪费掉了。因此最终用户不但必须要再购买一个电池组，而且还必须要再购买一个电量监测计。在主机侧电量监测系统中，电量监测计位于母板中，而电池和电池组保护电路则位于电池组内部。由于这种结构，当用户购买一个全新的电池组时就不必再购买一个全新的电量监测计了，但要面临诸多设计挑战，其中包括电池化学检测、电池插入检测以及与电池充电器的协调运行。

图 1 传统的电池组
锂离子电池容量的下降是电池运行时间缩短的主要原因，这种误解普遍存在。实际上，电池阻抗的不断增加（而非电池容量的下降）才是导致系统提前关机的关键因素。在电池完成大约 100 个充放电周期以后，电池容量仅下降 5%，而电池的 DC 阻抗却增加了 2 倍。老化电池更高阻抗的直接影响是负载电流引起的内部压降增大，从而老化电池达到系统最低工作电压（或称为终止电压）的时间要远远早于新电池。
传统的电池电量测量技术主要是基于电压和库仑计数算法开发的，在测量性能方面具有很明显的局限性。由于成本低且实施简单，基于电压的测量方法被广泛用于手机等手持设备，但使用一段时间后电池阻抗会发生变化，从而影响该方法的测量精度。电池电压可由下式得出：
VBAT=VOCV-I×RBAT
其中，OCV 为电池开路电压，RBAT 为电池内部 DC 阻抗。从图 2 可以看出，老化电池更低的电压会使系统关机时间会比使用新电池时的系统关机时间提前。

图 1 传统的电池组
负载情况和温度的变化会使电池可用容量最多减少高达 50%。大多数最终用户在使用未配备真正电量监测计的便携式设备时，都经历过电池耗尽引起突然关机的情况。库仑计数法采取的是另一种方法：通过不间断对流入和流出电池的电量进行库仑积分，以计算出消耗的电荷和充电状态 (SOC)，而全部容量是已知的，因此，库仑计数可以得出剩余电量。这种方法的缺点是难以精确量化 (model) 自放电电量，而且由于该方法不进行周期性地完整周期校正，从而导致测量误差随着时间的推移越来越大。这些算法都没有解决电池阻抗的变化问题。为了防止突然关机，设计人员必须要提前终止系统运行以保留更多电池电量，但这样会导致大量的电能被浪费掉。
单节电池阻抗跟踪电量监测计
阻抗跟踪技术之所以非常独特而且比其他解决方案更为精确是因为该技术具有自动**机制，其能解决由于电池老化而引起的化学容量 (QMAX) 的变化和电池阻抗不断增加的问题。阻抗跟踪电量监测计通过在电池实际使用过程中先测量然后跟踪阻抗和容量变化实施了一个动态建模算法，以自动**并跟踪电池特性。使用该算法则无需定期进行完整周期容量校正。
阻抗跟踪技术能够对将要精确建模的负载和温度进行补偿，最重要的是要在电池的整个使用寿命内保持电量监测精度。由于系统设计不再需要一个提前关机机制，所以电池电量可以得到充分利用。与单独使用库仑计数法或电池电压相关法相比，阻抗跟踪电量监测计在测量电池剩余容量方面更加出色。事实上，这些电量监测计使用了两种技术来克服电池老化、自放电以及温度变化的影响。
阻抗跟踪器件会不断地对保持电池阻抗 (RBAT) 与放电深度 (DOD) 和温度之间函数关系的数据库表格进行维护。为了了解何时需要更新或使用这些表格，知道不同状态下会发生什么样的操作是非常有用的。我们可以将多个电流阈值编程到电量监测计的非易失存储器中，以定义充电、放电以及“松弛时间”，在停止充电或停止放电以后，“该松弛时间”能够使电池电压稳定下来。
手持设备开机时电量监测计通过测量电池开路电压 (OCV)，然后与 OCV (DOD，T) 表进行比较的方法就可以确定电池精确的充电状态。完成 OCV 测量以后，该电量计则开始施加负载、执行库仑计数算法的电荷积分并不断计算出充电状态。
总容量 QMAX 可以通过当电池在充电或放电前后电压变化足够小、处于全松弛状态时的两个 OCV 读数算出。例如，电池放电前，SOC 可由下式得出：

电池放电且通过电荷为 ∆Q 时，SOC 可由下式得出：

两式相减得出

其中 ∆Q =Q1-Q2。从等式可以看出，无需经历一个完全的充放电周期即可确定电池总容量。这也省去了电池组生产过程中耗时的电池自动**周期。
电池的 RBAT (DOD，T) 表在放电过程中得到不断更新，且阻抗可由下式得出：

该电量监测计利用 RBAT 计算出在当前负载和温度条件下何时将会达到终止电压。通过在固件中使用电压仿真方法，其还可利用 RBAT 来确定剩余电量 (RM)。仿真算法先算出当前 SOCSTART 值，然后计算出在负载电流相同且 SOC 值持续降低的情况下未来的电池电压曲线。当仿真电池电压 VBAT (SOCI，T) 达到电池终止电压（典型值为 3.0V）时，与此电压对应的 SOC 值将被采集并记做 SOCFINAL。剩余电量 RM 可由下式得出：

主机侧电量监测计和电池充电系统的设计考虑因素
图 3 是包括电池充电器和电量监测计在内的主机侧电池管理系统的一个电路结构图。bq24032A 为一款电源路径管理电池充电器，其可以在为电池充电的同时为系统供电。

图 3 主机侧电量监测计和电池充电系统
主机侧电量监测计系统设计考虑因素有很多。首先要考虑的因素就是当插入一个新电池时要获得其最初的电池电量，因为 OCV 与 SOC 有很强的相关性。在电池充电或放电开始前，我们必须要测量出 OCV 的值。为了实现精确的 OCV 测量，bq27500 不允许在将电池插入以后进行充电或放电。通过把 BI/TOUT 引脚置于高阻抗模式并在 BI/TOUT 引脚电压被下拉时检测电池插入，其首先确定了是否有电池。当通过开启 MOSFET Q1 将温度监控引脚拉至接地时，将终止对电池充电。在完成 OCV 读数并精确了解最初电池容量以后，BAT_GD 将被拉低，从而关闭 MOSFET Q1。在插入电池而没有适配器的情况下，电量监测计系统应在向系统负载提供电源之前等待数毫秒以测量 OCV 值。
第二个设计挑战是如何监控电池温度以实现充电限制和电池容量调整。为了最小化电池性能下降，电量监测计严禁电池充电，尤其是当电池温度超出 0～45℃ 时。电量监测计还必须要监控电池的温度以调整电池阻抗和容量。我们可以对 bq27500 进行配置以通过其 TS 引脚对电池温度进行监控，而限制充电的温度阈值可以通过数据闪存常量进行设置。为了最小化功耗，电量监测计通过内部拉高 BI/TOUT 并测量 TS 引脚两端的电压每过 1 秒对电池温度测量一次。如果电池温度超出了预设的温度范围，则 BAT_GD 将被拉高并开启 MOSFET Q1，因此在电池温度恢复以前电池充电器都是关闭的。与此同时，温度信息将被用于标准化电池阻抗并调整电池容量。
另一个设计考虑因素是如何最小化电量监测计的总功耗，因为只要电池被插入，电量监测计就会一直和电池相连接。主要包括 4 种运行模式：标准模式、睡眠模式、休眠模式以及电池插入检查模式。在标准模式时，电量监测计不但要对电流、电压以及温度进行测量并周期性地更新接口数据集，而且还要做出更改状态的决定。最大的功耗通常为 80μA。睡眠模式位设置完成且平均电流低于可编程睡眠电流时，bq27500 将进入睡眠模式，其会周期性地苏醒以进行数据测量并升级数据集，然后再进入睡眠模式以最小化电流消耗（通常在是 15μA 以下）。为了进一步降低电流消耗，电量监测计将进入休眠模式 ，并且如果平均电流低于闪存中编程的休眠电流值（如果设置了休眠模式位的话），电流消耗仅为 4μA。低于休眠电压值（在闪存中编程）的电池电压测量值可以替换休眠位需求。电池插入检查模式将管理何时允许充电和放电，所以当一个电池组被插入系统时就可以对 OCV 进行测量，在这一模式下不进行电量监测。一旦检测到电池插入且 OCV 读数完整，电量监测计则进入标准模式。
另一个重要的设计考虑因素是如何安全精确地显示低电池容量，从而可以保存数据并安全地关闭系统。传统上来说，由于简单的硬件实施和低成本的解决方案，低电池电量显示是完全基于电池电压做出的。当电池电压低于预设阈值时，BAT_LOW 引脚则会改变状态，并可用来控制系统，以尽可能地减少功能性并向最终用户提供一个警告信号。但是这种方法可能不够精确，因为电池电压是负载电流、电池老化程度以及温度的一个函数。对于手持应用中的一个脉动负载而言，状态指示器可能会闪烁不定。可以实现对 BAT_LOW 进行配置的另一种方法是基于相对的 SOC值，这种方法比纯电压测量要精确许多。通过这种方法，当电池电压或相对的 SOC 值达到预设的阈值时，BAT_LOW 将改变其状态。因此，微处理器可以安全地实现数据保存并提前关闭系统。
结论
主机侧阻抗跟踪电量监测计系统不但提供了高精度的电量监测功能，而且还降低了系统成本。bq27500 是一款针对诸如智能电话、PMP 以及 PDA 等手持终端设备的理想解决方案。充分了解阻抗跟踪技术和主机侧设计挑战是至关重要的。