锂离子电池指标简介及锂离子电池电量计的实现方法

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由于工作中一直都有接触到锂离子电池的应用,也遇到过相关的电池问题,所以本文打算在阅读参考相关技术文档的基础上,总结一下锂离子电池电量计常见的一些实现方法原理,以加深对电池的理解。

锂离子电池在当今的移动电子设备中使用非常广泛,其具有能量密度高,没有充放电记忆效应的优点,但是不能进行大电流充放电,且过充过放性能较差,长时间放置不用且不充电的话就会失效。

1. 锂离子电池相关概念

1.1 电池化学容量

电池容量Qmax理论上是指电流趋近于零时,在电池达到放电终止电压(EDV)之前,从充满电的电池中所能放出来的电荷量。实际工程中,使用0.1C或者更小的电流来进行测定电池容量。

C是指电池的充放电率,1C是指1小时内将充满电的电池完全放空所需要的的电流,或者是1小时内将放完电的电池完全充满所需要的电流。例如4000mAh的电池对应的1C为4000mA,0.1C为400mA。

而电池在实际使用过程中,其容量是无法全部放出来的,因为实际使用时肯定存在一定的放电电流,而且电池本身存在内阻。因此,电池实际的可用容量Quse小于Qmax。根据图1所示可知,电池端电压(V)为电池的开路电压(OCV)减去电池内阻的压降(IR),因此电池的实际应用曲线低于电池开路曲线,在相同的终止电压(EDV)前能释放的容量也就越小。也很容易从中得知, 电流越大(负载越大),可用容量也越小 ,如图2所示。因此, 随着负载变化,电池可用容量也会发生变化。 在现实情况中,有时候可以看到电池容量由少变多,就是因为负载电流变小了。

罗姆   ROHM   锂电池

图1

罗姆   ROHM   锂电池

图2

1.2 电荷状态

电荷状态SOC(State-Of-Charge)是指电池的剩余容量除以电池化学容量得到的百分比,剩余容量是指电池从当前状态放电到终止电压前的电池容量,示意如图2所示。

罗姆   ROHM   锂电池

图3

1.3 电池内阻

电池内阻受主要受环境温度(T)、电荷状态(SOC)、电池老化程度(Aging)的影响。

电荷状态越低,放电越多,电池内阻越大。温度越低,电池内阻越大。 经验上有电池内阻在100次充放电后会增加一倍。同一批电池之间的偏差大概在10~15%左右,但是不同品牌的电池内阻差异会较大。

电池内阻的变化反映到可用容量也会发生变化,如图4所示,温度越低,电池内阻越大,可用容量越小。

罗姆   ROHM   锂电池

图4

另外,电池老化也会对电池容量Qmax发生影响,虽然不如对阻抗影响那么显著,但是100次充放电后也会有3~5%的下降,如图5所示。

罗姆   ROHM   锂电池

图5

1.4 电池瞬态响应

电池在正常放电时,如果突然将负载移除,电池电压并不能立刻回到电流为0时的电压,而是慢慢上升,花费很长时间才能上升到稳定电压。如果电池SOC较低,电池内阻就更大,就需要花费更长时间才能将电压上升稳定下来,如图6所示。

罗姆   ROHM   锂电池

图6

1.5 电池自放电

电池的自放电会随着温度升高而增加,这是电池自身的特性。电池温度每增加10℃,自放电率就会倍增。锂离子电池每个月的自放电量约为1~2%,如图7所示。如果锂离子电池长时间放置不用且不充电的话就会失效,电池提早报废。

罗姆   ROHM   锂电池

图7

2. 电池电量计实现方法

2.1 开路电压法

该方法的原理是根据电池开路电压,估算电池剩余电量。该方法是测量电池开路电压,但是实际应用中基本都是需要在电池运行中获取电池剩余容量,此时只能测试得到电池的端电压。

从前述可知,电池端电压V=OCV-IR,电流I和电池内阻R越大,电池端电压V和开路电压OCV之间的差值就越大,估算得到的电池电荷状态和电池容量误差也越大。也就是说电阻电池内阻和负载电流都会影响测量精度,且电池内阻会随着上述几个因素的影响,离散性很大,因此补偿计算非常困难。而且不同品牌的电池,开路电压与剩余容量之间的关系也不尽相同。当然,其优点就是不需要完全充放电就能得到电池的当前容量。

2.2 库伦量法

该方法的原理是在电池的充放电回路中连接一个电流检测电阻,示意如图8所示,其测量思想是先得到电池的满充电最大容量,然后将放电过程中的放电电流对时间进行积分,得到放电容量,满充容量减去放电容量就能得到剩余容量。

罗姆   ROHM   锂电池

图8

但是该方法需要完整的放电周期,以学习确定电池的最大容量。理论上是在电池完全放电时更新,但是实际应用中由于需要执行关机等一些操作,需要为此预留一些电池容量。因此,更新通常是在电池电量还剩余3~7%时进行,以7%为例,此时意味着电池已经放掉了93%的容量,同时将放电电流对时间进行积分可以得到放掉的容量mAh,除以93%就得到了电池的满充容量。

因此,确定满充容量的关键点就是如何确定电池电荷状态SOC已经达到了7%,一般是通过电池端电压确定,而该电压又和当时的电流、温度、阻抗等因素相关,我们可将该电压定义为上文提到的EDV,终止放电电压,EDV=OCV-IR。一般在温度、电流恒定,且电池内阻相差不大的情况下,该电压值也基本恒定。但是实际应用中,负载电流、温度等均可能发生变化,那么SOC为7%时的EDV也就不同了,所以需要进行补偿,补偿算法都集成在了芯片里面,但是这些算法也不能完全反应阻抗的老化影响。

库伦量法是对电流进行积分,但是电池内部消耗的电流其无法检测,因此也就无法准确评估该电流的影响。

综上所述可知,在没有负载时使用开路电压法测量结果较为准确,在有负载时使用库伦量法较为准确,两者互补使用能得到相对较好的结果。

然而,这两种方法都只能计算电池剩余多少容量,却无法尽量将其都释放出来进行使用。因为这两种方法在实际应用中均无法确定真正的终止电压,很多时候都是提前关闭系统运行。因此,电池真正剩余能够使用的时间无法很好的估算出来。

2.3 动态电压法

立锜科技(RICHTEK)的动态电压算法是根据电池端电压和开路电压之间的差值,来估算电池的电荷状态SOC,但此算法并不能估计电池容量值(mAh)。

由于该算法不需要充放电电流的信息,因此其短期精确度较差,且反应时间较慢,但是长期精确度良好,因为电池电压最终会直接反应它的电荷状态。

2.4 阻抗跟踪法

从上述的开路电压法和库伦量法原理可以得知,电池内阻是影响电池容量估算的关键因素。开路电压法如果能知道电池内阻,就能得到开路电压,从而准确的估算电池容量;库伦量法如果能知道电池内阻,就能知道剩余7%容量时的电压EDV,从而准确更新电池最大容量。

TI的阻抗跟踪算法是一种预测算法,其相比于前述几种算法主要优势是,其在电池的整个寿命周期内,测量电池剩余容量和剩余使用时间方面更加出色。其实现是思路是这样的:

(1) 确定OCV-SOC曲线

不管什么品牌的电池都存在一种现象规律, 在相同的温度下,开路电压相对于电荷状态的曲线是基本不变的,偏差很小 ,如图9所示。因此,在确定了这个曲线后,只要知道开路电压,就能知道电荷状态;反之亦然。

罗姆   ROHM   锂电池

图9

(2) 确定电池内阻R

根据公式V=OCV-IR,可得电池内阻R=(OCV-V)/I,根据测得的负载电流I、电池端电压V,以及不同SOC对应的OCV,可以计算得到在一定负载电流下的电池内阻R(SOC)。由于电池内阻R可以在任意情况下(不同的温度、SOC、老化)实际测试计算得到,就不必考虑补偿了。

(3) 确定电池满充容量

分别测试电池在两个不同空闲状态(没有负载时)下的稳定开路电压OCV1和OCV2,根据第一步得到的OCV-SOC曲线,可以得到对应的电荷状态SOC1和SOC2。同时将这两个状态之间的放电电流对时间进行积分得到容量△Q,电池的满充容量Qmax=△Q/(SOC1-SOC2)。从中可以看出,无需完整的放电周期就能确定电池的最大容量。

(4)确定真正剩余能够使用的容量

确定了电池内阻后,记当前的电荷状态为SOC3,假设负载电流不变,就可以得到该负载电流下的对应不同SOC的电池端电压曲线。当电池端电压达到电池终止放电电压时,反推得到此时的开路电压OCV,进一步得到对应的电荷状态SOC4,然后就可以确定电池在该负载电流下的剩余容量为(SOC3-SOC4)Qmax。为了预留一部分容量(假设为Q)用于关机等操作,可以在此剩余容量基础上再减去Q为[(SOC3-SOC4)Qmax-Q],相应地就能计算出该负载电流下真正剩余能够使用的时间。

结语

但是阻抗跟踪法让人比较疑惑的一点是这个电池的终止放电电压是如何确定的,因为不同负载电流状态下这个值应该是不同的。

更多详情请查看:罗姆电池管理

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