鋰離子電池相關(guān)概念 鋰離子電池電量計(jì)的實(shí)現(xiàn)方法

由于工作中一直都有接觸到鋰離子電池的應(yīng)用，也遇到過(guò)相關(guān)的電池問(wèn)題，所以本文打算在閱讀參考相關(guān)技術(shù)文檔的基礎(chǔ)上，總結(jié)一下鋰離子電池電量計(jì)常見(jiàn)的一些實(shí)現(xiàn)方法原理，以加深對(duì)電池的理解。

鋰離子電池在當(dāng)今的移動(dòng)電子設(shè)備中使用非常廣泛，其具有能量密度高，沒(méi)有充放電記憶效應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)，但是不能進(jìn)行大電流充放電，且過(guò)充過(guò)放性能較差，長(zhǎng)時(shí)間放置不用且不充電的話就會(huì)失效。

1. 鋰離子電池相關(guān)概念

1.1 電池化學(xué)容量

電池容量Qmax理論上是指電流趨近于零時(shí)，在電池達(dá)到放電終止電壓（EDV)之前，從充滿電的電池中所能放出來(lái)的電荷量。實(shí)際工程中，使用0.1C或者更小的電流來(lái)進(jìn)行測(cè)定電池容量。

C是指電池的充放電率，1C是指1小時(shí)內(nèi)將充滿電的電池完全放空所需要的的電流，或者是1小時(shí)內(nèi)將放完電的電池完全充滿所需要的電流。例如4000mAh的電池對(duì)應(yīng)的1C為4000mA，0.1C為400mA。

而電池在實(shí)際使用過(guò)程中，其容量是無(wú)法全部放出來(lái)的，因?yàn)閷?shí)際使用時(shí)肯定存在一定的放電電流，而且電池本身存在內(nèi)阻。因此，電池實(shí)際的可用容量Quse小于Qmax。根據(jù)圖1所示可知，電池端電壓（V）為電池的開(kāi)路電壓（OCV）減去電池內(nèi)阻的壓降（IR），因此電池的實(shí)際應(yīng)用曲線低于電池開(kāi)路曲線，在相同的終止電壓（EDV）前能釋放的容量也就越小。也很容易從中得知， 電流越大（負(fù)載越大），可用容量也越小 ，如圖2所示。因此， 隨著負(fù)載變化，電池可用容量也會(huì)發(fā)生變化。 在現(xiàn)實(shí)情況中，有時(shí)候可以看到電池容量由少變多，就是因?yàn)樨?fù)載電流變小了。

圖1

圖2

1.2 電荷狀態(tài)

電荷狀態(tài)SOC（State-Of-Charge）是指電池的剩余容量除以電池化學(xué)容量得到的百分比，剩余容量是指電池從當(dāng)前狀態(tài)放電到終止電壓前的電池容量，示意如圖2所示。

圖3

1.3 電池內(nèi)阻

電池內(nèi)阻受主要受環(huán)境溫度（T）、電荷狀態(tài)（SOC）、電池老化程度（Aging）的影響。

電荷狀態(tài)越低，放電越多，電池內(nèi)阻越大。溫度越低，電池內(nèi)阻越大。 經(jīng)驗(yàn)上有電池內(nèi)阻在100次充放電后會(huì)增加一倍。同一批電池之間的偏差大概在10~15%左右，但是不同品牌的電池內(nèi)阻差異會(huì)較大。

電池內(nèi)阻的變化反映到可用容量也會(huì)發(fā)生變化，如圖4所示，溫度越低，電池內(nèi)阻越大，可用容量越小。

圖4

另外，電池老化也會(huì)對(duì)電池容量Qmax發(fā)生影響，雖然不如對(duì)阻抗影響那么顯著，但是100次充放電后也會(huì)有3~5%的下降，如圖5所示。

圖5

1.4 電池瞬態(tài)響應(yīng)

電池在正常放電時(shí)，如果突然將負(fù)載移除，電池電壓并不能立刻回到電流為0時(shí)的電壓，而是慢慢上升，花費(fèi)很長(zhǎng)時(shí)間才能上升到穩(wěn)定電壓。如果電池SOC較低，電池內(nèi)阻就更大，就需要花費(fèi)更長(zhǎng)時(shí)間才能將電壓上升穩(wěn)定下來(lái)，如圖6所示。

圖6

1.5 電池自放電

電池的自放電會(huì)隨著溫度升高而增加，這是電池自身的特性。電池溫度每增加10℃，自放電率就會(huì)倍增。鋰離子電池每個(gè)月的自放電量約為1~2%，如圖7所示。如果鋰離子電池長(zhǎng)時(shí)間放置不用且不充電的話就會(huì)失效，電池提早報(bào)廢。

圖7

2. 電池電量計(jì)實(shí)現(xiàn)方法

2.1 開(kāi)路電壓法

該方法的原理是根據(jù)電池開(kāi)路電壓，估算電池剩余電量。該方法是測(cè)量電池開(kāi)路電壓，但是實(shí)際應(yīng)用中基本都是需要在電池運(yùn)行中獲取電池剩余容量，此時(shí)只能測(cè)試得到電池的端電壓。

從前述可知，電池端電壓V=OCV-IR，電流I和電池內(nèi)阻R越大，電池端電壓V和開(kāi)路電壓OCV之間的差值就越大，估算得到的電池電荷狀態(tài)和電池容量誤差也越大。也就是說(shuō)電阻電池內(nèi)阻和負(fù)載電流都會(huì)影響測(cè)量精度，且電池內(nèi)阻會(huì)隨著上述幾個(gè)因素的影響，離散性很大，因此補(bǔ)償計(jì)算非常困難。而且不同品牌的電池，開(kāi)路電壓與剩余容量之間的關(guān)系也不盡相同。當(dāng)然，其優(yōu)點(diǎn)就是不需要完全充放電就能得到電池的當(dāng)前容量。

2.2 庫(kù)倫量法

該方法的原理是在電池的充放電回路中連接一個(gè)電流檢測(cè)電阻，示意如圖8所示，其測(cè)量思想是先得到電池的滿充電最大容量，然后將放電過(guò)程中的放電電流對(duì)時(shí)間進(jìn)行積分，得到放電容量，滿充容量減去放電容量就能得到剩余容量。

圖8

但是該方法需要完整的放電周期，以學(xué)習(xí)確定電池的最大容量。理論上是在電池完全放電時(shí)更新，但是實(shí)際應(yīng)用中由于需要執(zhí)行關(guān)機(jī)等一些操作，需要為此預(yù)留一些電池容量。因此，更新通常是在電池電量還剩余3~7%時(shí)進(jìn)行，以7%為例，此時(shí)意味著電池已經(jīng)放掉了93%的容量，同時(shí)將放電電流對(duì)時(shí)間進(jìn)行積分可以得到放掉的容量mAh，除以93%就得到了電池的滿充容量。

因此，確定滿充容量的關(guān)鍵點(diǎn)就是如何確定電池電荷狀態(tài)SOC已經(jīng)達(dá)到了7%，一般是通過(guò)電池端電壓確定，而該電壓又和當(dāng)時(shí)的電流、溫度、阻抗等因素相關(guān)，我們可將該電壓定義為上文提到的EDV，終止放電電壓，EDV=OCV-IR。一般在溫度、電流恒定，且電池內(nèi)阻相差不大的情況下，該電壓值也基本恒定。但是實(shí)際應(yīng)用中，負(fù)載電流、溫度等均可能發(fā)生變化，那么SOC為7%時(shí)的EDV也就不同了，所以需要進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償算法都集成在了芯片里面，但是這些算法也不能完全反應(yīng)阻抗的老化影響。

庫(kù)倫量法是對(duì)電流進(jìn)行積分，但是電池內(nèi)部消耗的電流其無(wú)法檢測(cè)，因此也就無(wú)法準(zhǔn)確評(píng)估該電流的影響。

綜上所述可知，在沒(méi)有負(fù)載時(shí)使用開(kāi)路電壓法測(cè)量結(jié)果較為準(zhǔn)確，在有負(fù)載時(shí)使用庫(kù)倫量法較為準(zhǔn)確，兩者互補(bǔ)使用能得到相對(duì)較好的結(jié)果。

然而，這兩種方法都只能計(jì)算電池剩余多少容量，卻無(wú)法盡量將其都釋放出來(lái)進(jìn)行使用。因?yàn)檫@兩種方法在實(shí)際應(yīng)用中均無(wú)法確定真正的終止電壓，很多時(shí)候都是提前關(guān)閉系統(tǒng)運(yùn)行。因此，電池真正剩余能夠使用的時(shí)間無(wú)法很好的估算出來(lái)。

2.3 動(dòng)態(tài)電壓法

立锜科技（RICHTEK）的動(dòng)態(tài)電壓算法是根據(jù)電池端電壓和開(kāi)路電壓之間的差值，來(lái)估算電池的電荷狀態(tài)SOC，但此算法并不能估計(jì)電池容量值（mAh）。

由于該算法不需要充放電電流的信息，因此其短期精確度較差，且反應(yīng)時(shí)間較慢，但是長(zhǎng)期精確度良好，因?yàn)殡姵仉妷鹤罱K會(huì)直接反應(yīng)它的電荷狀態(tài)。

2.4 阻抗跟蹤法

從上述的開(kāi)路電壓法和庫(kù)倫量法原理可以得知，電池內(nèi)阻是影響電池容量估算的關(guān)鍵因素。開(kāi)路電壓法如果能知道電池內(nèi)阻，就能得到開(kāi)路電壓，從而準(zhǔn)確的估算電池容量；庫(kù)倫量法如果能知道電池內(nèi)阻，就能知道剩余7%容量時(shí)的電壓EDV，從而準(zhǔn)確更新電池最大容量。

TI的阻抗跟蹤算法是一種預(yù)測(cè)算法，其相比于前述幾種算法主要優(yōu)勢(shì)是，其在電池的整個(gè)壽命周期內(nèi)，測(cè)量電池剩余容量和剩余使用時(shí)間方面更加出色。其實(shí)現(xiàn)是思路是這樣的：

(1) 確定OCV-SOC曲線

不管什么品牌的電池都存在一種現(xiàn)象規(guī)律， 在相同的溫度下，開(kāi)路電壓相對(duì)于電荷狀態(tài)的曲線是基本不變的，偏差很小 ，如圖9所示。因此，在確定了這個(gè)曲線后，只要知道開(kāi)路電壓，就能知道電荷狀態(tài)；反之亦然。

圖9

(2) 確定電池內(nèi)阻R

根據(jù)公式V=OCV-IR，可得電池內(nèi)阻R=(OCV-V)/I，根據(jù)測(cè)得的負(fù)載電流I、電池端電壓V，以及不同SOC對(duì)應(yīng)的OCV，可以計(jì)算得到在一定負(fù)載電流下的電池內(nèi)阻R(SOC)。由于電池內(nèi)阻R可以在任意情況下（不同的溫度、SOC、老化）實(shí)際測(cè)試計(jì)算得到，就不必考慮補(bǔ)償了。

(3) 確定電池滿充容量

分別測(cè)試電池在兩個(gè)不同空閑狀態(tài)（沒(méi)有負(fù)載時(shí)）下的穩(wěn)定開(kāi)路電壓OCV1和OCV2，根據(jù)第一步得到的OCV-SOC曲線，可以得到對(duì)應(yīng)的電荷狀態(tài)SOC1和SOC2。同時(shí)將這兩個(gè)狀態(tài)之間的放電電流對(duì)時(shí)間進(jìn)行積分得到容量△Q，電池的滿充容量Qmax=△Q/(SOC1-SOC2)。從中可以看出，無(wú)需完整的放電周期就能確定電池的最大容量。

(4)確定真正剩余能夠使用的容量

確定了電池內(nèi)阻后，記當(dāng)前的電荷狀態(tài)為SOC3，假設(shè)負(fù)載電流不變，就可以得到該負(fù)載電流下的對(duì)應(yīng)不同SOC的電池端電壓曲線。當(dāng)電池端電壓達(dá)到電池終止放電電壓時(shí)，反推得到此時(shí)的開(kāi)路電壓OCV，進(jìn)一步得到對(duì)應(yīng)的電荷狀態(tài)SOC4，然后就可以確定電池在該負(fù)載電流下的剩余容量為(SOC3-SOC4)Qmax。為了預(yù)留一部分容量（假設(shè)為Q）用于關(guān)機(jī)等操作，可以在此剩余容量基礎(chǔ)上再減去Q為[(SOC3-SOC4)Qmax-Q]，相應(yīng)地就能計(jì)算出該負(fù)載電流下真正剩余能夠使用的時(shí)間。

但是阻抗跟蹤法讓人比較疑惑的一點(diǎn)是這個(gè)電池的終止放電電壓是如何確定的，因?yàn)椴煌?fù)載電流狀態(tài)下這個(gè)值應(yīng)該是不同的。本人在TI的相關(guān)文檔中也沒(méi)查找到相應(yīng)的資料說(shuō)明，如有了解的，可以告知一下。