利用現代智能電池技術延長電池壽命

鋰離子電池技術

當今便攜式應用中廣泛使用的可充電電池化學技術是鋰離子技術，其能量密度約為100wh/kg，是輕便應用的理想選擇。性能與其最接近的產品是nimh，其能量密度為75wh/kg。在膝上型pc中，隨著其他電子部件變得更小、更輕，電池組已經成為在總重量上越來越突出的部分。在成本不是特別高的情況下，輕量能源將會受到青睞。鋰離子技術因為擁有非常低的自放電率、低維護性和相對短的充電時間，在當今的競爭中脫穎而出。由于鋰離子在管理和監控上也是一種高度復雜的化學技術，因此，本文將以膝上型pc電池為例，集中討論這一技術。

鋰離子技術存在的問題

鋰離子技術并非完美的化身，雖然低的自放電率是其壽命優勢，但它依然面臨其他一些影響使用壽命的因素，見圖1。

決定鋰離子電池組處于健康狀態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。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（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（傳統上為2v）時會永久損壞。最新的技術發展進一步降低了這個最低電壓值，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

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，電源設計師設計出膝上型電源管理系統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，但現如今通常由電池自身內部完成。為了對電池組的fcc和周期壽命作出一個很好的估計，電源管理系統需要了解電池的老化程度和已經循環使用的次數。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還有溫度日志記錄和周期性電池阻抗測量值。

使用現代智能電池技術是增加電池容量的一種可行方案。早期和現今的一些電池管理系統，并沒有對電池做特定實時fcc評估所必需的一些參數進行跟蹤。這種系統提供的是一種剩余電量估計，不考慮電池的退化狀態。這種剩余電量估計會隨時間的推移而變得越來越不準確，結果會產生兩種情形。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電池提前結束壽命的情況，但會對剩余電量造成一定的浪費。很多電池設計者還是傾向于采用悲觀估計法。 庫侖計數法

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。這將使電池組設計人員可以減少剩余電量估計的“保護區域”，進而增加用戶從電池組獲取電能的實際時間。
保持實時fcc估計并不是現代智能電池技術所面臨的挑戰的終結。用戶關注的是剩余的穩定功率時間，這個數字取決于電池的充電狀態，充電狀態等于電池的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備運行的情況下大得多。處在發展中的電池監控系統由電池電壓估計充電狀態。這種方法對于pc電池應用也不夠精確。電池需要時刻跟蹤流入或流出其中的電流，并記錄其總量。這種監控方式稱為庫侖計數（coulomb counting），見圖2，它需要積分或累加adc固定地監控流入或流出電池的電流。通過庫侖計數，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測量中估計出來。

⑴ 使用高分辨率adc監視當前負載；

⑵ 使用庫侖計數器計算剩余電量；

⑶ 利用周期計數器（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計算電池全充電量。

提供給用戶的最終使用時間將由電池計算fcc后留下來的充電狀態計算得出，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。

用庫侖計數方法實現剩余電量計算是一項極大的挑戰。它要求有耐高壓的專用模擬電路用于監控，有非易失存儲器用于參數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可以實現庫侖計數方案。

atmega 406具有一個片上電壓調節器，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，能夠對多達四個鋰離子電池進行單獨監控。atmega 406里面有一個自動累加雙向庫侖計數器，每秒產生一個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，具有40kb片上程序閃存和512b 的eeprom（用于存儲參數）。器件配備sm-bus通信功能，采用48引線的lqfp封裝。另外還特設獨立的電池保護電路。

小結

智能電池內部微電子技術的巧妙運用，為電池組用戶帶來了很多方便。智能電源管理系統的一種簡潔實現方案就是不用了解電池充電狀態，而在電池使用壽命到達之前就關斷，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，能對電池的壽命、使用歷史、負載和充電狀態等參數進行跟蹤計算，為用戶提供一個最佳的安全剩余使用時間估計。