第三章基于電壓的電量監(jiān)測(cè)計(jì)

基于電壓的電量監(jiān)測(cè)計(jì)

? 優(yōu)勢(shì)

–無需完全放電就能進(jìn)行學(xué)習(xí)

–自放電無需矯正

–在小負(fù)載電流條件下非常準(zhǔn)確

? 劣勢(shì)

–由于內(nèi)部電池阻抗的原因，準(zhǔn)確度欠佳

–阻抗與溫度、老化和電荷狀態(tài)之間存在函數(shù)關(guān)系

總結(jié)一下，基于電壓的電量監(jiān)測(cè)計(jì)它的缺點(diǎn)就是由于電池內(nèi)部阻抗的原因造成準(zhǔn)確度不好。阻抗、溫度、老化狀態(tài)和電池的容量百分比之間是存在一個(gè)函數(shù)關(guān)系的，這個(gè)函數(shù)關(guān)系相當(dāng)復(fù)雜，要專業(yè)搞電池的人才能夠找到一個(gè)比較近似的函數(shù)關(guān)系，很難找到一個(gè)精確的函數(shù)關(guān)系，所以這種模型相當(dāng)復(fù)雜，一般的電子工程師或軟件工程師要寫出很精確的關(guān)系是很難的，所以大家在軟件計(jì)算里面有關(guān)容量方面的計(jì)算是工程師們最頭痛的一個(gè)問題，那么它也有一些優(yōu)勢(shì)，優(yōu)勢(shì)是它不需要完全放電就能夠得到電池現(xiàn)在的容量是多少。

因?yàn)樽鲞^電池的人都知道一個(gè)電池出廠之前一般要進(jìn)行一個(gè)完全的充放電。為什么要進(jìn)行充放電呢？這是要定位現(xiàn)在電池的容量是多少，電池的滿充電量是多少，尤其是電池的滿充容量，不同的電池滿充容量是有差別的，當(dāng)然你可以選一個(gè)電池的設(shè)計(jì)容量，但是不同的電池與設(shè)計(jì)容量之間的偏差還是比較大的，要得到這個(gè)滿充容量，還是要做一個(gè)完整的充放電才行，那么具體的充放電對(duì)生產(chǎn)過程的要求就比較高了，要加上很多的直接成本。

另外，電池有自放電的特性。電池放在那里，即使負(fù)載不工作，電池自己也會(huì)放電，時(shí)間長(zhǎng)了以后電量會(huì)越來越少，電壓會(huì)越來越低，那么電壓監(jiān)測(cè)的電量計(jì)它只要根據(jù)電壓來判斷容量，所以現(xiàn)在有多少電壓就報(bào)告多少容量，那么自放電多少不用去太關(guān)心，所以這種基于電壓的電量計(jì)如果在電流很小的情況下，它還是能達(dá)到一定的準(zhǔn)確度的，但是目前來講，各種應(yīng)用越來越復(fù)雜，電流的變化也越來越大，所以基于電壓的電量監(jiān)測(cè)計(jì)要滿足客戶的要求就有點(diǎn)難了。

基于庫倫計(jì)數(shù)的電量監(jiān)測(cè)

除了基于電壓的電量監(jiān)測(cè)計(jì)，還有一種電量計(jì)就是庫侖計(jì)數(shù)的電量監(jiān)測(cè)技術(shù)。這個(gè)電量監(jiān)測(cè)計(jì)的思路就是，首先把一個(gè)電池充到滿，充滿過程中就能夠知道電池的現(xiàn)有容量，就是電池的滿充容量，然后在放電過程當(dāng)中把電池的放電容量從現(xiàn)有容量中扣去就可以得到現(xiàn)在電池里面還剩多少容量。它的思路其實(shí)就是電流對(duì)時(shí)間的一個(gè)積分來得到放出多少容量，從而得到電池里面剩多少容量。

用這種技術(shù)每次放電結(jié)束的時(shí)候放出容量都會(huì)有一個(gè)記錄，這個(gè)記錄的容量就作為電池的滿充容量，所以每次放完結(jié)束的時(shí)候Qmax會(huì)被更新，也就是電池的化學(xué)容量和最大容量都會(huì)被更新。

在完全放電之前進(jìn)行學(xué)習(xí)

理論上是這樣，但實(shí)際在更新電池的滿充容量或化學(xué)容量的時(shí)候，不一定會(huì)把電池完全放空了再去更新。因?yàn)檫@時(shí)更新電池電壓就很低了，有可能系統(tǒng)要關(guān)機(jī)或者有什么情況，這個(gè)時(shí)候就已經(jīng)太晚了，通常的更新是在電池容量放到還剩7%左右進(jìn)行更新，這個(gè)更新的思路是說到容量到了7%，意味著放掉了93%的容量，如果對(duì)剛才放掉的容量進(jìn)行積分就會(huì)放掉容量的mAh數(shù)，用這個(gè)mAh數(shù)除以93%就可以得到滿充容量，這樣也達(dá)到了學(xué)習(xí)的效果，所以一般學(xué)習(xí)不會(huì)放到0%的時(shí)候再去，一般在7%的時(shí)候去學(xué)習(xí)。

至于學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)的是電池的滿充容量，有了滿充容量之后，對(duì)放電的電流進(jìn)行積分，才能夠算出現(xiàn)在剩多少容量，所以滿充電池的電量對(duì)電量的計(jì)算也是比較重要的。至于7%和3%對(duì)應(yīng)的電壓是多少，這取決于當(dāng)時(shí)的電流、溫度和阻抗。一般在室溫電流恒定，同一批電池阻抗相差不是太大的情況下，這個(gè)電壓也可以認(rèn)為基本恒定，因?yàn)樵?%的時(shí)候是，這個(gè)時(shí)候電壓偏差造成容量的偏差不會(huì)太大，所以可以在7%時(shí)進(jìn)行修正。

經(jīng)補(bǔ)償?shù)姆烹娊K止電壓（CEDV）

剛才講到7%這一點(diǎn)其實(shí)是在給定的溫度、電流或者同一批電池的情況下，這一點(diǎn)的電壓基本固定了，但是實(shí)際上它的電流不可能是一個(gè)固定的電流，在使用的過程中電流總是會(huì)在不停的變化的，那么7%對(duì)應(yīng)的電壓也是不同的，也就是不同的電流對(duì)應(yīng)的7%是不一樣的。

在這一條曲線中，放電電流為I1，I1對(duì)應(yīng)的電壓在這條曲線當(dāng)中是，用CEDV2來表示，CEDV2是I1的函數(shù)，如果這個(gè)電流發(fā)生變化了，同樣用7%的電壓來修正，這個(gè)誤差就大了，從CEDV的曲線中可以看到，7%對(duì)應(yīng)的電壓實(shí)際還有30%剩余容量，如果按照7%去進(jìn)行同步或?qū)W習(xí)，去修正滿充容量，就會(huì)有23%的容量丟了，所以這個(gè)時(shí)候就造成了一個(gè)大的誤差，所以這個(gè)算法就要根據(jù)電流來對(duì)7%這點(diǎn)的電壓進(jìn)行修正，7%這點(diǎn)的電壓我叫做CEDV2，把這一點(diǎn)的電壓找到跟電流的函數(shù)關(guān)系，不同的電流下得到不同的電壓。

所以在電流I2的情況下，我們得到CEDV2其實(shí)它的電壓比要低一點(diǎn)，CEDV2(I2)實(shí)際是根據(jù)復(fù)雜的計(jì)算得到的，它的公式大概的是這樣的:CEDV=OCV(T,SOC)-I*R(T,SOC)，CEDV的C是補(bǔ)償?shù)?，EDV是終止放電電壓，也就是經(jīng)過補(bǔ)償?shù)慕K止放電電壓實(shí)際是等于電池的開路電壓減去由于內(nèi)阻造成的壓降。

關(guān)鍵是在這個(gè)公式里面OCV(T,SOC)可以找到一個(gè)跟曲線匹配比較好的函數(shù)，而且這個(gè)曲線也不大會(huì)變化，但是后面這個(gè)曲線它是T和SOC的函數(shù)，這個(gè)曲線就很難找一個(gè)匹配的函數(shù)，所以說這個(gè)公式相當(dāng)復(fù)雜。

由于內(nèi)阻差異性的存在，這個(gè)公式使用過程當(dāng)中它的準(zhǔn)確度是有限制的，不是說在整個(gè)放電過程當(dāng)中這個(gè)公式都是通用的，通常我們用這個(gè)公式算的時(shí)候，在7%以下是用這個(gè)公式算的，也就是R（T,SOC）這樣一個(gè)函數(shù)關(guān)系式，這在我們的datasheet里面是可以找到的，適用的范圍僅僅只是7%或12%以后的范圍。

這樣的其實(shí)也夠了，因?yàn)樾拚感枰?%左右修正就行了，所以它適用的范圍小這個(gè)問題不大，那么12%以前還是用庫侖計(jì)算來進(jìn)行積分，庫侖計(jì)算積分造成的誤差可以在12%以后通過電壓修正來得到補(bǔ)償，這就是CEDV算法的簡(jiǎn)單思路。這個(gè)公式反應(yīng)的其實(shí)是阻抗、溫度和SOC之間的一個(gè)關(guān)系，這種關(guān)系反應(yīng)的是電池的阻抗，這個(gè)公式里面一般參數(shù)定了之后，阻抗、溫度和容量百分比的關(guān)系就定了，實(shí)際上隨著電池使用年限的增加，內(nèi)阻是肯定會(huì)變的，但是這個(gè)公式其實(shí)沒有反應(yīng)電池的內(nèi)阻和使用年限之間的差異，這個(gè)公式不能夠反應(yīng)出這個(gè)差異，當(dāng)然我們后續(xù)的算法當(dāng)中加了改進(jìn)，加了一些線性的補(bǔ)償，這個(gè)可以在我們的同CEDV的芯片里面，比如TI的BQ3060，早一點(diǎn)的BQ2084，BQ2085這幾個(gè)是用CEDV算法來做的。

基于庫倫計(jì)數(shù)的電量監(jiān)測(cè)

? 優(yōu)勢(shì)

? –不受電壓測(cè)量失真的影響

? –準(zhǔn)確度由電流積分硬件確定

? –監(jiān)測(cè)誤差：3-10%（取決于工作條件和用途）

? 劣勢(shì)

? –需要學(xué)習(xí)周期以更新Qmax

–電池容量隨老化而下降

? Qmax較少幅度：3-5%（100次充電）

–在不學(xué)習(xí)的情況下，每充電10次監(jiān)測(cè)誤差將增加1%

? –自放電必須建模：不準(zhǔn)確

與老化相關(guān)的主要參數(shù)：阻抗

基于庫侖計(jì)數(shù)的電量監(jiān)測(cè)它的優(yōu)勢(shì)是什么呢？

因?yàn)樗饕歉鶕?jù)電流積分來進(jìn)行電量計(jì)算的，所以電壓測(cè)量的失真對(duì)它的影響就比較小，電流有多準(zhǔn)，是有電路積分的硬件來決定的，整CEDV算法如果你參數(shù)控制得比較好，誤差可以控制在3%甚至更低一點(diǎn)，如果參數(shù)和實(shí)際電池的模型匹配可能會(huì)大一點(diǎn)，大概整個(gè)誤差在3~10%左右，具體取決于工作的條件和用途。

它的劣勢(shì)就是剛才說的，因?yàn)樗怯脦靵鲇?jì)數(shù)，也就是說充進(jìn)去多少電、放出了多少電來進(jìn)行容量計(jì)算的，前提是它要知道電池的滿充容量，才能夠算出電池里面剩多少容量。這個(gè)滿充容量一般要在出廠之前更新一下，因?yàn)殡姵氐臐M充容量和剩余容量偏差還是比較大的，不能夠直接用電池的剩余容量當(dāng)滿充容量來做，所以電池出廠以前都要做一個(gè)充放電周期循環(huán)來得到電池的滿充容量，根據(jù)循環(huán)來得到滿充容量是電量計(jì)自己來做的，但循環(huán)是需要在生產(chǎn)線上配備專門的工具來做的，所以這個(gè)比較耗時(shí)間。還有電池的容量也會(huì)隨著使用年限的增加而下降，當(dāng)然下降得不像阻抗那樣的顯著，但是100次充放電之后也會(huì)有3~5%的下降，這個(gè)下降也要想辦法進(jìn)行補(bǔ)償，為什么呢？因?yàn)槟阍趯?shí)際使用的情況下，不是每一次放電都能夠得到學(xué)習(xí)的，因?yàn)槲覀兊挠秒娫O(shè)備拿出去（手機(jī)或筆記本電腦）放電，它不一定會(huì)從滿充的情況下一直放到空，或者放到7%以下讓你去更新滿充容量，一般可能放電到一半，或者稍稍放一下電就立刻把適配器給插上了，這種情況下放電就很淺，它不一定有機(jī)會(huì)去更新滿充容量，在沒有更新的情況下，每充電10次監(jiān)測(cè)的誤差將增加1%，這樣的話Qmax不更新它的誤差就會(huì)越來越大，所以在實(shí)際使用過程當(dāng)中，如果用老式的電量計(jì)，大家如果有這樣的經(jīng)驗(yàn)，筆記本電腦拿出去一個(gè)月可能要讓它全充全放一次，讓它不斷的去更新里面的Qmax的參數(shù)，做得相對(duì)準(zhǔn)確。還有一個(gè)就是對(duì)電池的自放電進(jìn)行估計(jì)，它是不準(zhǔn)確的，因?yàn)橄駝偛潘f的基于電壓的電量監(jiān)測(cè)技術(shù)，電池有多少電量，它判斷電壓然后去查一下表現(xiàn)在剩多少，至于電池在內(nèi)部放了多少電，它是不用關(guān)心的。

如果是庫侖計(jì)的話，它主要不是根據(jù)電壓來判斷容量的，它是根據(jù)電流的充放電來判斷容量的，電池內(nèi)部的充放電，庫侖計(jì)的監(jiān)測(cè)芯片是監(jiān)測(cè)不到這種電流的，因?yàn)閹靵鲇?jì)是接在電池外面的，只能監(jiān)測(cè)到電池流進(jìn)流出的電流，電池內(nèi)部耗掉的電流它是測(cè)不到的，所以每次放電放了多少它只能用一個(gè)簡(jiǎn)單的模型去估計(jì)一下，所以這個(gè)結(jié)果也不是很準(zhǔn)確，使用年限延遲之后也會(huì)造成誤差的增加，所以這里面有個(gè)比較大的因數(shù)就是電池的老化，庫侖計(jì)在處理老化上面，它的辦法比較受局限，老化造成的影響，一個(gè)是容量會(huì)隨著老化的增加而減少，另外一個(gè)老化以后電池阻抗會(huì)增加。剛才說到電池的阻抗增加的時(shí)候，電池的CEDV計(jì)算誤差也會(huì)變大，因?yàn)樵谶@個(gè)公式里面這個(gè)阻抗只跟溫度和容量百分比有關(guān)，加進(jìn)了對(duì)容量的估計(jì)，這個(gè)估計(jì)其實(shí)也是一個(gè)線性的，跟實(shí)際的電池還是有一定的差異，所以這個(gè)電池年限的增加阻抗對(duì)容量造成的貢獻(xiàn)來講誤差會(huì)越來越大。所以CEDV算法它考慮到了電池阻抗對(duì)電壓的修正，但它沒有考慮到電池阻抗隨時(shí)間變化的因數(shù)，或者說考慮得比較簡(jiǎn)單。所以傳統(tǒng)的電量監(jiān)測(cè)方法在沒有負(fù)載的情況下可以用電壓監(jiān)測(cè)的方法來得到比較準(zhǔn)確的容量，在有負(fù)載的情況下可以用庫侖計(jì)數(shù)來得到容量，所以這兩種方法算是互補(bǔ)的。其實(shí)在市場(chǎng)上可以買到的芯片基本上也是把這2種方法結(jié)合起來使用的。

對(duì)于典型電量監(jiān)測(cè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)

電池管理產(chǎn)品-電池電量監(jiān)測(cè)

芯片BQ3060都是結(jié)合了電壓監(jiān)測(cè)和庫侖計(jì)數(shù)兩種技術(shù)結(jié)合起來使用的。

問題考查

所以不管是基于電壓的電量監(jiān)測(cè)計(jì)還是基于電流積分的電量監(jiān)測(cè)計(jì)，里面對(duì)容量的計(jì)算影響比較大的都是阻抗，這個(gè)阻抗里面對(duì)于老化造成的影響都是基于一個(gè)簡(jiǎn)單的線性模型來做的，或者說早期的就沒有這一部分老化的影響，這樣由于它依據(jù)的模型相對(duì)比較簡(jiǎn)單，所以實(shí)際上跟電池的匹配成功比較差，也就是說造成的誤差會(huì)隨著時(shí)間年限的延長(zhǎng)越來越明顯，所以對(duì)電池電量計(jì)算影響最大的一個(gè)因數(shù)其實(shí)是電池的阻抗，如果能夠隨時(shí)隨地的得到電池的阻抗，那我們電池的容量就可以得到比較精確的計(jì)算。