深度剖析鋰電池電量監(jiān)測(cè)原理1

什么是電池電量監(jiān)測(cè)技術(shù)

含義：電池電量監(jiān)測(cè)是一種用于在所有的系統(tǒng)運(yùn)行及空閑情況下預(yù)測(cè)電池容量的技術(shù)。

?****電池容量：

–百分比

• 運(yùn)行時(shí)間

–至電量耗盡/充滿的時(shí)間

–毫安時(shí)（mAh）

–瓦時(shí)（Wh）

–通話時(shí)間、限制時(shí)間等

?****可獲得用于反映電池健康狀況及安全診斷的其他數(shù)據(jù)

1.健康狀態(tài)

2.滿充電容量

電池電量監(jiān)測(cè)技術(shù)主要是用來報(bào)告電池的容量，同時(shí)它一般也可以提供電池的健康狀態(tài)和電池的滿充容量。

概要介紹

?****電池化學(xué)成分基本知識(shí)

?****傳統(tǒng)的電池電量監(jiān)測(cè)方法

–基于電壓

–庫侖計(jì)數(shù)

?****阻抗跟蹤技術(shù)及其優(yōu)勢(shì)

第一部分：電池化學(xué)成分基本知識(shí)

首先給大家介紹的是一些跟電池電量計(jì)量有關(guān)的一些電池化學(xué)成分的知識(shí)。

下圖為：鋰離子電池放電曲線：最優(yōu)運(yùn)行時(shí)間

這里的三張圖是在不同情況下測(cè)到的鋰離子電池放電曲線圖。隨著放電速率、溫度和老化情況改變關(guān)斷電壓可提供盡可能長(zhǎng)的運(yùn)行時(shí)間。從這些圖中我們首先可以看到，在室溫小電流情況下電池的電壓在之后會(huì)很快的發(fā)生跌落，雖然系統(tǒng)可以支持的最低電壓可以到或，但是由于到之后電壓會(huì)很快跌落。

為了避免突然關(guān)機(jī)造成的數(shù)據(jù)丟失或者加載文件的電路突然中斷，客戶的應(yīng)用系統(tǒng)通常的傾向于把電池的最低容量為零的參考點(diǎn)設(shè)置為，如果在低溫或者大電流的情況下，或者在電池非常老化的情況下，如果還是把作為電量為零的參考點(diǎn)，那就會(huì)造成電池的可用容量大大的減少，大家可以從這些曲線上可以看到，在大電流情況下，基本上一開始放電的曲線就已經(jīng)快到了，那么在老化或者低溫的情況下也是類似的，所以如果固定的以作為容量為零的參考點(diǎn)，那在低溫或者大電流情況，或者是接近老化的情況下，會(huì)造成所報(bào)告容量的縮減，為了避免這種情況，電池的容量需要根據(jù)溫度、放電速率、電池的老化程度進(jìn)行調(diào)整。

鋰離子電池的大電流放電能力可通過使用較厚或較薄的活性材料層在很寬的范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整?；钚圆牧蠈虞^薄意味著電池?fù)碛休^高的大電流放電能力，但能量密度則較低。筆記本電腦中使用的標(biāo)準(zhǔn)18650圓柱形電池專為實(shí)現(xiàn)最大C速率放電而設(shè)計(jì)。然而，有些電池的額定規(guī)格則是專為10C放電而擬訂的（用于便攜式電動(dòng)工具），甚至有的電池能達(dá)到60C速率放電（用于氣電混合動(dòng)力汽車中的備用電源/再生制動(dòng)）。

大電流放電能力在低于0℃的低溫條件下將嚴(yán)重降低，這是因?yàn)橛袡C(jī)電解液的低導(dǎo)電率所致。電解液的導(dǎo)電率良莠不齊，所以應(yīng)查閱制造商提供的有關(guān)低溫放電的數(shù)據(jù)，這一點(diǎn)很重要。

電池化學(xué)容量Qmax

關(guān)于電池電量監(jiān)測(cè)技術(shù)里面，有一個(gè)比較重要的概念，就是電池的化學(xué)容量Qmax。

在這張圖里面，紅色的曲線和的橫坐標(biāo)交叉點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的值就是Qmax。

這個(gè)曲線是負(fù)載電流為的情況下測(cè)出來的，因?yàn)橐獪y(cè)得Qmax必須保證負(fù)載電流足夠的小，理論上Qmax是指電流趨近零時(shí)所能放出來的容量，但實(shí)際情況下，工程技術(shù)上是用很小的電流來做Qmax的測(cè)定，這里我們是用的的電流。那為什么是呢？

C這個(gè)概念在電池電量管理里面就是指電池的放電速率，1C實(shí)際就是指如果電池的容量為2200mAh，電流為2200mA就是1C，所以概念上就是1小時(shí)內(nèi)將1節(jié)電池完全放空所需要的電流。因此2200mAh的電池對(duì)應(yīng)的放電電流就是2200mA，那的放電電流對(duì)應(yīng)的就是1100mA。

在這張圖里面所提到的EDV指的是系統(tǒng)或者電池本身能夠支持的最低電壓。

在便攜式應(yīng)用中，有關(guān)電池功能性的主要問題是“它能持續(xù)工作多長(zhǎng)的時(shí)間”？這是由活性材料的數(shù)量、它的比容量和電壓特性決定的。當(dāng)電池放電時(shí)，其電壓逐步下降，直至達(dá)到設(shè)備可接受的最小電壓（被稱為“放電終止電壓 [EDV]”）為止，也就是如果在該電壓下繼續(xù)放電將導(dǎo)致電池受損。通過對(duì)放電過程中的傳遞電荷進(jìn)行積分，我們可以測(cè)量在達(dá)到 EDV 之前可以放電的容量 Qmax。低速率鋰離子電池放電期間的電壓曲線在上面進(jìn)行了圖示。

可用容量Quse

還有一個(gè)對(duì)應(yīng)的容量就是可用容量。因?yàn)閯偛胖v的是電池的化學(xué)容量，電池的化學(xué)容量是在電流很小的時(shí)候測(cè)得的容量，它更多的是由電池本身的特性決定的。那實(shí)際在電池的使用過程中，這么多容量不是都能夠放得出來的，在實(shí)際的使用過程中，由于有一定的放電電流，所以放電曲線會(huì)比開路電壓曲線低，大家可以看到這條曲線，由于存在電池的內(nèi)阻，實(shí)際的放電曲線是藍(lán)色的這條曲線，由藍(lán)色的曲線和紅色的曲線對(duì)應(yīng)的值得到Quse，Quse實(shí)際指的是電池的可用容量，在這張曲線中我們發(fā)現(xiàn)，由于電池內(nèi)阻的存在使這個(gè)曲線的位置往下移了，那么放電的時(shí)候會(huì)更早的達(dá)到放電終止電壓，也就是更早的達(dá)到EDV，所以Quse一般是小于Qmax。

從這個(gè)曲線中我們也可以看出，電流越大，Quse會(huì)越小.。在這曲線當(dāng)中，I*Rbat就是指的由于內(nèi)阻的存在，造成電池端電壓的下降。

電池電阻

電池的內(nèi)阻對(duì)電池電壓的監(jiān)測(cè)是有很重要的影響的?；镜墓娇梢杂眠@樣一個(gè)公式來表示電池的內(nèi)阻對(duì)電池電量監(jiān)測(cè)的影響：

V=Vocv-I*Rbat

這個(gè)公式里面Vocv指的是電池的開路電壓，I是指充放電電流，Rbat是指的電池的內(nèi)阻，V是指電池的端電壓。

電池的阻抗實(shí)際是受很多因數(shù)影響的，受到環(huán)境溫度、電池的容量百分比、電池的老化程度的影響。它是這些變量中一個(gè)非常復(fù)雜的函數(shù)。現(xiàn)在要得到這個(gè)函數(shù)的具體表達(dá)式是非常困難的，所以實(shí)際經(jīng)常用實(shí)測(cè)的方法來得到阻抗，也就是用差分表的方法來得到阻抗。那么這個(gè)電池的內(nèi)阻通常在100次充放電之后會(huì)增加1倍，這是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)值。同一批電池之間的偏差控制得比較好的大概可以控制在10~15%左右，不同電池的制造商生產(chǎn)的電池內(nèi)阻的偏差往往會(huì)更大。所以電池內(nèi)阻是在生產(chǎn)當(dāng)中很難把它的偏差控制得小的一個(gè)變量，電池的內(nèi)阻是一個(gè)非常難控制的變量，也是非常重要的一個(gè)變量。

電荷狀態(tài)（SOC）

剛才講到的是SOC，SOC實(shí)際是指的容量百分比，也就是大家經(jīng)常在使用手機(jī)或者平板電腦的時(shí)候屏幕角上的容量百分比，容量百分比的意義是說電池在某種狀態(tài)下到放空之間還剩余多少電量。英文的縮寫叫SOC，也就是State Of Charge，所以也可以直接翻譯成電荷狀態(tài)，因?yàn)镃harge就是指的電荷的意思。那么顯然對(duì)一個(gè)充滿了的電池電壓百分比，或者電荷狀態(tài)，就等于1；對(duì)一個(gè)完全放空的電池電壓百分比就等于0。所以電壓百分比的公式SOC等于這條曲線上的Q（狀態(tài)A時(shí)對(duì)應(yīng)的剩余容量）除以電池的化學(xué)容量Qmax。

跟電量百分比對(duì)應(yīng)的一個(gè)概念是DOD，DOD指的是放電的深度，英文是Depth Of Discharge。那顯然在充電百分比或者容量百分比為1的時(shí)候，那么放電深度應(yīng)該是0；反過來容量百分比為0的時(shí)候，放電深度就應(yīng)該是1。

我們?cè)?a target="_blank">TI的很多文檔當(dāng)中會(huì)碰到DOD這個(gè)概念，DOD實(shí)際上和SOC是一個(gè)相對(duì)的概念，它們表示的實(shí)際上是同一個(gè)意思，就是電池里面剩余的電量是多少，或者說這個(gè)電池從滿充狀態(tài)到現(xiàn)在已經(jīng)放了多少電了，是表示這種程度的。

抗阻與溫度和DOD有關(guān)

那么電池的阻抗受影響比較大的有溫度和容量百分比，也可以用剛才所說的放電深度來表示，也就是DOD來表示。從這張曲線我們可以看出一些基本的趨勢(shì)，從圖中可以看出放電百分比越大、放電深度越大，那么電池的內(nèi)阻就越大，因?yàn)檫@條曲線上縱坐標(biāo)指的是電池內(nèi)阻，它的單位是歐姆；橫坐標(biāo)指的是放電百分比，也就是DOD。不同顏色的曲線表示的是不同溫度下測(cè)的的數(shù)據(jù)，顯然在同一個(gè)溫度下面，放電百分比越大，也就是放電越深，那它的電池內(nèi)阻就越大。那么我們?cè)谶@張圖上還可以看到，在同樣的DOD下，也就是同樣的容量百分比下，溫度越低，電池的內(nèi)阻也相應(yīng)的越大。這是一個(gè)基本的概念，這是大家要對(duì)電池所形成的一個(gè)基本的認(rèn)識(shí)。

阻抗和容量隨老化而改變

電池的內(nèi)阻除了和溫度、容量百分比有關(guān)，另外一個(gè)影響比較大的因數(shù)就是電池的使用年限，也就是電池的老化程度。一般電池在100次重放電之后，化學(xué)容量會(huì)減少3~5%，這個(gè)容量減少還不是很顯著，但是它的阻抗變化就比較顯著了，在100次充放電之后阻抗可以增加幾乎1倍。大家可以從這2張圖中看出來，左邊的這張圖是第1次和第100次的放電曲線畫在一起的一張圖，從這張圖中可以看出來放電次數(shù)的增加對(duì)容量減少的影響還不是很大。但是放電速率的增加對(duì)內(nèi)阻的影響是很大的，右邊這張圖指的是電池的內(nèi)阻和放電次數(shù)增加的關(guān)系，這里面有很多條曲線，這張圖的橫坐標(biāo)是測(cè)電池內(nèi)阻時(shí)所用的頻率，縱坐標(biāo)是指電池的內(nèi)阻。

這張圖中我們可以看出來，在頻率很低的情況下，最下面的那條曲線是第1次在不同頻率下測(cè)得的一條曲線，最上面的那條曲線是第100次在不同頻率下測(cè)得的電池內(nèi)阻的曲線，這2條曲線在于縱坐標(biāo)交點(diǎn)的值基本相差了1倍，所以說100次循環(huán)之后，電池的內(nèi)阻增加了1倍。這里的內(nèi)阻橫坐標(biāo)用的是頻率，表示在頻率很低的情況下，內(nèi)阻的變化隨著循環(huán)次數(shù)的增加是很顯著的，但是反過來講，隨著頻率的升高，比如說：測(cè)試負(fù)載的變化頻率升高到1KHZ的時(shí)候，內(nèi)阻的變化基本可以忽略不計(jì)了，大家可以看到這么多曲線基本都匯聚到同一點(diǎn)去了。那么實(shí)際上對(duì)我們電池電量監(jiān)測(cè)影響大的是什么樣的阻抗呢？

是在頻率比較低或者是直流情況下的阻抗，所以我們應(yīng)該看右邊這張圖曲線和縱坐標(biāo)的2個(gè)交點(diǎn)，從這個(gè)交點(diǎn)上我們可以看出，循環(huán)次數(shù)對(duì)電池的直流內(nèi)阻影響。

新電池的阻抗差異

這張圖表現(xiàn)的是新電池阻抗的差異。電池的工藝結(jié)構(gòu)上是一層一層疊起來或者一層一層卷起來的，所以電池正負(fù)極之間從外部看上去，可以看到有電容的特性，也有電阻的特性，也有電感的特性。所以整個(gè)電池來講，如果要測(cè)量它的阻抗，阻抗可以分為實(shí)部和虛部，在這張圖中，我們用一個(gè)交變的負(fù)載去測(cè)定電池的內(nèi)阻，這個(gè)電池的變化頻率，也就是負(fù)載電流的變化頻率，是從1KHZ變到1mHZ，1KHZ的概念大家經(jīng)常接觸到，就是1秒鐘變化1000次；1mHZ就是1000秒變化1次，這個(gè)變化頻率就相當(dāng)緩慢了，也就是說測(cè)的其實(shí)是一個(gè)直流的阻抗。

在這2張圖里面，大家可以看到，直流阻抗是隨著頻率的降低單調(diào)的線性增加的，但是交流阻抗它有一個(gè)變化的趨勢(shì)，一開始是小，后續(xù)慢慢的變大，然后又變小，最后又變大，這是由于電池內(nèi)部存在電容和電感這些因數(shù)綜合影響造成的。但是直流阻抗是單調(diào)的增加的，隨著頻率的降低，直流阻抗是越來越大的。那么對(duì)電池電量監(jiān)測(cè)技術(shù)來講，我們關(guān)心的是1mHZ時(shí)的直流阻抗，從這張圖中我們可以看到，1mHZ情況下，電池阻抗的偏差還是有15%左右，這個(gè)15%左右的阻抗偏差會(huì)造成在如果是1C電流放電，電池的端電壓和開路電壓壓差40mV低溫情況下，如果你使用的算法是根據(jù)電壓來判斷容量，大概會(huì)引起26%左右的容量誤差。

電池剩余容量（RM）

下面介紹的是電池的剩余容量。剩余容量是指當(dāng)前狀態(tài)放到EDV的電池容量，EDV也就是終止放電電壓。圖中當(dāng)前狀態(tài)A在一個(gè)給定的電流下進(jìn)行放電，放電到的時(shí)候，對(duì)應(yīng)的剩余容量從圖中標(biāo)出的就是RM1。那如果在狀態(tài)A的情況下，同比較大的電流放電，這個(gè)時(shí)候這個(gè)曲線的位置會(huì)比開路電壓更低一點(diǎn)，也會(huì)比剛才的小電流放電的RM1對(duì)應(yīng)的位置更低一點(diǎn)，那這個(gè)時(shí)候得到的剩余容量是RM2。RM2和RM1對(duì)應(yīng)的放電曲線它們的區(qū)別在于使用的放電電流是不一樣的，放電電流越大，曲線的位置越低，剩余容量就越小，所以電池的剩余容量是與放電速率有關(guān)的，不同的電流下面電池的剩余容量是不一樣的。有的用戶在電池的實(shí)際使用過程中在放電的情況下，會(huì)發(fā)現(xiàn)電池的容量由少變多，他感到不可理解，實(shí)際這里可以解釋一下，這種情況是由于放電電流的變化造成的，當(dāng)我們看到電池容量由少變多的情況，這個(gè)通常是由于放電電流突然變小造成的，因?yàn)樵诓煌碾娏飨码姵乜梢苑懦龅娜萘渴遣灰粯拥模?dāng)放電電流變小的時(shí)候，它可以放出的容量是可以增加的。

電池化學(xué)成分概要

l Qmax = 電池化學(xué)容量 (無負(fù)載)

l Quse = 可用容量 (與負(fù)載有關(guān))

l 電池電阻和負(fù)載產(chǎn)生 I-R 壓降

l SOC = 電荷狀態(tài) (%，取決于 OCV)

l RM = 剩余容量 (取決于負(fù)載)

l 電池老化會(huì)影響阻抗和容量

我們現(xiàn)在簡(jiǎn)單的回顧一下剛才介紹的概念。

Qmax是指的電池的化學(xué)容量。這個(gè)容量的值是和負(fù)載沒有關(guān)系的。它是指在極小的負(fù)載電流情況下，電池能夠放出了的容量，通常它的單位是用mAh來表示的。

Quse是指電池的可用容量。這個(gè)容量是和負(fù)載有關(guān)的，不同負(fù)載的情況下，電池的可用容量是不一樣的，負(fù)載電流越大，電池的可用容量越小。

為什么Quse和Qmax會(huì)造成這樣的區(qū)別呢？這主要是由于電池的內(nèi)阻和負(fù)載在電池的電動(dòng)勢(shì)和端電壓直接產(chǎn)生了一個(gè)壓降，還有一個(gè)概念就是電池的容量百分比，或者是說電荷狀態(tài)，它的單位是%，這個(gè)%實(shí)際上就是電池的剩余容量除以電池的化學(xué)容量得到的。

剩余容量叫RM，RM的大小也是取決于負(fù)載的，負(fù)載越大，在同一個(gè)狀態(tài)下剩余容量就越小。

還有一個(gè)概念就是電池的老化會(huì)影響到電池的阻抗和容量。老化對(duì)阻抗的影響比較明顯，100個(gè)周期之后阻抗會(huì)增加1倍。老化對(duì)容量的影響不像阻抗這么明顯，但是100個(gè)周期之后會(huì)有3~5%的跌落。