转自Richtek的锂离子电池及电池电量计介绍

 转自Richtek的锂离子电池及电池电量计介绍

1. 锂离子电池介绍

1.1 荷电状态 (State-Of-Charge;SOC)

荷电状态可定义为电池中可用电能的状态,通常以百分比来表示。因为可用电能会因充放电电流,温度及老化现象而有不同,所以
荷电状态的定义也区分为两种:绝对荷电状态(Absolute State-Of-Charge;ASOC)及相对荷电状态(Relative State-Of-Charge; RSOC)。通常相对荷电状态的范围是 0% – 100%,而电池完全充电时是 100%,完全放电时是 0%。绝对荷电状态则是一个当电 池制造完成时,根据所设计的固定容量值所计算出来的的参考值。一个全新完全充电电池的绝对荷电状态是 100%;而老化的电池 即便完全充电,在不同充放电情况中也无法到 100%。

下图显示不同放电率下电压与电池容量的关系。放电率愈高,电池容量愈低。温度低时,电池容量也会降低。
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1.2 最高充电电压 (Max Charging Voltage)

最高充电电压和电池的化学成分与特性有关。锂电池的充电电压通常是 4.2V 和 4.35V,而若阴极、阳极材料不同电压值也会有所不同。

1.3 完全充电 (Fully Charged)

当电池电压与最高充电电压差小于 100mV,且充电电流降低至 C/10,电池可视为完全充电。电池特性不同,完全充电条件也有所
不同。

下图所显示为一典型的锂电池充电特性曲线。当电池电压等于最高充电电压,且充电电流降低至 C/10,电池即视为完全充电。

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最低放电电压可用截止放电电压来定义,通常即是荷电状态为 0%时的电压。此电压值不是一固定值,而是随着负载、温度、老化
程度或其他而改变。

1.5 完全放电 (Fully Discharge)

当电池电压小于或等于最低放电电压时,可称为完全放电。

1.6 充放电率 (C-Rate)

充放电率是充放电电流相对于电池容量的一种表示。例如,若用 1C 来放电一小时之后,理想的话,电池就会完全放电。不同充放 电率会造成不同的可用容量。通常,充放电率愈大,可用容量愈小。

1.7 循环寿命

循环次数是当一个电池所经历完整充放电的次数,是可由实际放电容量与设计容量来估计。每当累积的放电容量等于设计容量时, 则循环次数一次。通常在 500 次充放电循环后,完全充电的电池容量约会下降 10% ~ 20%。

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所有电池的自放电都会随着温度上升而增加。自放电基本上不是制造上的瑕疵,而是电池本身特性。然而制造过程中不当的处理也 会造成自放电的增加。通常电池温度每增加 10°C,自放电率即倍增。锂离子电池每个月自放电量约为 1~2%,而各类镍系电池则 为每月 10~15%自放电量。

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2.1 电量计功能简介

电池管理可视为是电源管理的一部分。电池管理中,电量计是负责估计电池容量。其基本功能为监测电压,充电/放电电流和电池 温度,并估计电池荷电状态(SOC)及电池的完全充电容量(FCC)。有两种典型估计电池荷电状态的方法:开路电压法(OCV)和 库仑计量法。另一种方法是由 RICHTEK 所设计的动态电压算法。

2.2 开路电压法

用开路电压法的电量计,其实现方法较容易,可借着开路电压对应荷电状态查表而得到。开路电压的假设条件是电池休息约超过30 分钟时的电池端电压。

不同的负载,温度,及电池老化情况下,电池电压曲线也会有所不同。所以一个固定的开路电压表无法完全代表荷电状态;不能单
靠查表来估计荷电状态。换言之,荷电状态若只靠查表来估计,误差将会很大。

下图显示同样的电池电压分别在充放电之下,透过开路电压法所查得的荷电状态差异很大。

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库仑计量法的操作原理是在电池的充电/放电路径上的连接一个检测电阻。ADC 量测在检测电阻上的电压,转换成电池正在充电或 放电的电流值。实时计数器(RTC)则提供把该电流值对时间作积分,从而得知流过多少库伦。

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电结束条件达到表示电池已充满电且荷电状态(SOC)应为 100%。放电结束条件则表示电池已完全放电,且荷电状态(SOC)应该 为 0%;它可以是一个绝对的电压值或者是随负载而改变。达到休息状态时,则是电池旣没有充电也没有放电,而且保持这种状态 很长一段时间。若使用者想用电池休息状态来作库仑计量法的误差修正,则此时必须搭配开路电压表。下图显示了在上述状态下的 荷电状态误差是可以被修正的。

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动态电压算法电量计仅根据电池电压即可计算锂电池的荷电状态。此法是根据电池电压和电池的开路电压之间的差值,来估计荷电 状态的递增量或递减量。动态电压的信息可以有效地仿真锂电池的行为,进而决定荷电状态 SOC(%),但此方法并不能估计电池容 量值(mAh)。

它的计算方式是根据电池电压和开路电压之间的动态差异,借着使用迭代算法来计算每次增加或减少的荷电状态,以估计荷电状态。 相较于库仑计量法电量计的解决方案,动态电压算法电量计不会随时间和电流累积误差。库仑计量法电量计通常会因为电流感测误 差及电池自放电而造成荷电状态估计不准。即使电流感测误差非常小,库仑计数器却会持续累积误差,而所累积的误差只有在完全 充电或完全放电才能消除。

动态电压算法电量计仅由电压信息来估计电池的荷电状态;因为它不是由电池的电流信息来估计,所以不会累积误差。若要提高荷 电状态的精确度,动态电压算法需要用实际的装置,根据它在完全充电和完全放电的情况下,由实际的电池电压曲线来调整出一优 化的算法的参数。

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和 C/10 等的放电条件下,此法整体的荷电状态误差都小于 3%。

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原文链接:http://www.richtek.com/assets/AppNote/AN024_CN/AN024.pdf

 

 

吴川斌

吴川斌

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