鋰電池廠(chǎng)家解析：鋰電池充放電理論及電量計算法設計

　　鋰電池廠(chǎng)家解析：鋰電池充放電理論及電量計算法設計。鋰電池是21世紀發(fā)展的理想能源，受到人們廣泛的關(guān)注。在近幾年中，鋰電池廠(chǎng)家們對鋰電池商業(yè)化生產(chǎn)成功，不僅給UPS、移動(dòng)電源、移動(dòng)通訊設備、無(wú)人機、軍事領(lǐng)域、航空航天領(lǐng)域的應用帶來(lái)了實(shí)質(zhì)進(jìn)展，更以新能源汽車(chē)為首的汽車(chē)行業(yè)大力發(fā)展綠色便捷出行，進(jìn)一步提升了鋰電池的應用。

一、鋰離子電池介紹

1.荷電狀態(tài) (State-Of-Charge；SOC)

　　荷電狀態(tài)可定義為鋰電池中可用電能的狀態(tài)，通常以百分比來(lái)表示。因為可用電能會(huì )因充放電電流，溫度及老化現象而有不同，所以荷電狀態(tài)的定義也區分為兩種：絕對荷電狀態(tài)(Absolute State-Of-Charge；ASOC)及相對荷電狀態(tài)(Relative State-Of-Charge；RSOC)。通常相對荷電狀態(tài)的范圍是 0% - 100%，而電池完全充電時(shí)是 100%，完全放電時(shí)是 0%。絕對荷電狀態(tài)則是一個(gè)當電池制造完成時(shí)，根據所設計的固定容量值所計算出來(lái)的的參考值。一個(gè)全新完全充電電池的絕對荷電狀態(tài)是100%；而老化的電池即便完全充電，在不同充放電情況中也無(wú)法到100%。

　　下圖顯示不同放電率下電壓與電池容量的關(guān)系。放電率愈高，電池容量愈低。溫度低時(shí)，電池容量也會(huì )降低。

圖一、不同放電率及溫度下電壓與容量之關(guān)系

2.最高充電電壓 (Max Charging Voltage)

　　最高充電電壓和電池的化學(xué)成分與特性有關(guān)。鋰電池的充電電壓通常是4.2V 和 4.35V，而若陰極、陽(yáng)極材料不同電壓值也會(huì )有所不同。

3.完全充電 (Fully Charged)

　　當電池電壓與最高充電電壓差小于100mV，且充電電流降低至C/10，電池可視為完全充電。電池特性不同，完全充電條件也有所不同。

　　下圖所顯示為一典型的鋰電池充電特性曲線(xiàn)。當電池電壓等于最高充電電壓，且充電電流降低至C/10，電池即視為完全充電。

圖二、鋰電池充電特性曲線(xiàn)

4.最低放電電壓 (Mini Discharging Voltage)

　　最低放電電壓可用截止放電電壓來(lái)定義，通常即是荷電狀態(tài)為0%時(shí)的電壓。此電壓值不是一固定值，而是隨著(zhù)負載、溫度、老化程度或其他而改變。

5.完全放電 (Fully Discharge)

　　當電池電壓小于或等于最低放電電壓時(shí)，可稱(chēng)為完全放電。

6.充放電率 (C-Rate)

　　充放電率是充放電電流相對于電池容量的一種表示。例如，若用1C來(lái)放電一小時(shí)之后，理想的話(huà)，電池就會(huì )完全放電。不同充放電率會(huì )造成不同的可用容量。通常，充放電率愈大，可用容量愈小。

7.循環(huán)壽命

　　循環(huán)次數是當一個(gè)電池所經(jīng)歷完整充放電的次數，是可由實(shí)際放電容量與設計容量來(lái)估計。每當累積的放電容量等于設計容量時(shí)，則循環(huán)次數一次。通常在500次充放電循環(huán)后，完全充電的電池容量約會(huì )下降10% ~ 20%。

圖三、循環(huán)次數與電池容量的關(guān)系

8.自放電 (Self-Discharge)

　　所有電池的自放電都會(huì )隨著(zhù)溫度上升而增加。自放電基本上不是制造上的瑕疵，而是電池本身特性。然而制造過(guò)程中不當的處理也會(huì )造成自放電的增加。通常電池溫度每增加10°C，自放電率即倍增。鋰離子電池每個(gè)月自放電量約為1~2%，而各類(lèi)鎳系電池則為每月10~15%自放電量。

圖四、鋰電池自放電率在不同溫度下的表現
 

二、鋰電池電量計簡(jiǎn)介

1.電量計功能簡(jiǎn)介

　　電池管理可視為是電源管理的一部分。電池管理中，電量計是負責估計電池容量。其基本功能為監測電壓，充電/放電電流和電池溫度，并估計電池荷電狀態(tài)(SOC)及電池的完全充電容量（FCC）。有兩種典型估計電池荷電狀態(tài)的方法：開(kāi)路電壓法（OCV）和庫侖計量法。另一種方法是由RICHTEK所設計的動(dòng)態(tài)電壓算法。

2.開(kāi)路電壓法

　　用開(kāi)路電壓法的電量計，其實(shí)現方法較容易，可借著(zhù)開(kāi)路電壓對應荷電狀態(tài)查表而得到。開(kāi)路電壓的假設條件是電池休息約超過(guò)30分鐘時(shí)的電池端電壓。

　　不同的負載，溫度，及電池老化情況下，電池電壓曲線(xiàn)也會(huì )有所不同。所以一個(gè)固定的開(kāi)路電壓表無(wú)法完全代表荷電狀態(tài)；不能單靠查表來(lái)估計荷電狀態(tài)。換言之，荷電狀態(tài)若只靠查表來(lái)估計，誤差將會(huì )很大。

　　下圖顯示同樣的電池電壓分別在充放電之下，透過(guò)開(kāi)路電壓法所查得的荷電狀態(tài)差異很大。

圖五、充、放電情況下的電池電壓

　　下圖可知，放電時(shí)不同負載之下，荷電狀態(tài)的差異也是很大。所以基本上，開(kāi)路電壓法只適合對荷電狀態(tài)準確性要求低的系統，像汽車(chē)使用鉛酸電池或不間斷電源等。

圖六、放電時(shí)不同負載之下的電池電壓

3.庫侖計量法

　　庫侖計量法的操作原理是在電池的充電/放電路徑上的連接一個(gè)檢測電阻。ADC量測在檢測電阻上的電壓，轉換成電池正在充電或放電的電流值。實(shí)時(shí)計數器（RTC）則提供把該電流值對時(shí)間作積分，從而得知流過(guò)多少庫倫。

圖七、庫倫計量法基本工作方式

　　庫侖計量法可精確計算出充電或放電過(guò)程中實(shí)時(shí)的荷電狀態(tài)。藉由充電庫侖計數器和放電庫侖計數器，它可計算剩余電容量 (RM)及完全充電容量(FCC)。同時(shí)也可用剩余電容量(RM) 及完全充電容量 (FCC) 來(lái)計算出荷電狀態(tài)，即 (SOC = RM / FCC)。此外，它還可預估剩余時(shí)間，如電力耗竭(TTE)和電力充滿(mǎn)(TTF)。

圖八、庫倫計量法的計算公式

　　主要有兩個(gè)因素造成庫倫計量法準確度偏差。第一是電流感測及ADC量測中偏移誤差的累積。雖然以目前的技術(shù)此量測的誤差還算小，但若沒(méi)有消除它的好方法，則此誤差會(huì )隨時(shí)間增加而增加。下圖顯示了在實(shí)際應用中，如果時(shí)間持續中的未有任何的修正，則累積的誤差是無(wú)上限的。

圖九、庫倫計量法的累積誤差

　　為消除累積誤差，在正常的電池操作中有三個(gè)可能可使用的時(shí)間點(diǎn)：充電結束（EOC），放電結束（EOD）和休息（Relax）。充電結束條件達到表示電池已充滿(mǎn)電且荷電狀態(tài)（SOC）應為100%。放電結束條件則表示電池已完全放電，且荷電狀態(tài)(SOC)應該為0％；它可以是一個(gè)絕對的電壓值或者是隨負載而改變。達到休息狀態(tài)時(shí)，則是電池旣沒(méi)有充電也沒(méi)有放電，而且保持這種狀態(tài)很長(cháng)一段時(shí)間。若使用者想用電池休息狀態(tài)來(lái)作庫侖計量法的誤差修正，則此時(shí)必須搭配開(kāi)路電壓表。下圖顯示了在上述狀態(tài)下的荷電狀態(tài)誤差是可以被修正的。

圖十、消除庫侖計量法累積誤差的條件

　　造成庫倫計量法準確度偏差的第二主要因素是完全充電容量(FCC)誤差，它是由電池設計容量的值和電池真正的完全充電容量的差異。完全充電容量(FCC) 會(huì )受到溫度，老化，負載等因素影響。所以，完全充電容量的再學(xué)習和補償方法對庫侖計量法是非常關(guān)鍵重要的。下圖顯示了當完全充電容量被高估和被低估時(shí)，荷電狀態(tài)誤差的趨勢現象。

圖十一、完全充電容量被高估和被低估時(shí)，誤差的趨勢

4.動(dòng)態(tài)電壓算法電量計

　　動(dòng)態(tài)電壓算法電量計僅根據電池電壓即可計算鋰電池的荷電狀態(tài)。此法是根據電池電壓和電池的開(kāi)路電壓之間的差值，來(lái)估計荷電狀態(tài)的遞增量或遞減量。動(dòng)態(tài)電壓的信息可以有效地仿真鋰電池的行為，進(jìn)而決定荷電狀態(tài)SOC(%)，但此方法并不能估計電池容量值（mAh）。

　　它的計算方式是根據電池電壓和開(kāi)路電壓之間的動(dòng)態(tài)差異，借著(zhù)使用迭代算法來(lái)計算每次增加或減少的荷電狀態(tài)，以估計荷電狀態(tài)。相較于庫侖計量法電量計的解決方案，動(dòng)態(tài)電壓算法電量計不會(huì )隨時(shí)間和電流累積誤差。庫侖計量法電量計通常會(huì )因為電流感測誤差及電池自放電而造成荷電狀態(tài)估計不準。即使電流感測誤差非常小，庫侖計數器卻會(huì )持續累積誤差，而所累積的誤差只有在完全充電或完全放電才能消除。

　　動(dòng)態(tài)電壓算法電量計僅由電壓信息來(lái)估計電池的荷電狀態(tài)；因為它不是由電池的電流信息來(lái)估計，所以不會(huì )累積誤差。若要提高荷電狀態(tài)的精確度，動(dòng)態(tài)電壓算法需要用實(shí)際的裝置，根據它在完全充電和完全放電的情況下，由實(shí)際的電池電壓曲線(xiàn)來(lái)調整出一優(yōu)化的算法的參數。

圖十二、動(dòng)態(tài)電壓算法電量計和增益優(yōu)化的表現

　　下面是動(dòng)態(tài)電壓算法在不同放電速率條件下，荷電狀態(tài)的表現。由圖可知，它的荷電狀態(tài)精確度良好。不論是在C/2，C/4，C/7和C/10等的放電條件下，此法整體的荷電狀態(tài)誤差都小于3％。

圖十三、不同的放電速率條件下，動(dòng)態(tài)電壓算法的荷電狀態(tài)的表現

　　下圖顯示在電池短充短放情況下，荷電狀態(tài)的表現。荷電狀態(tài)誤差仍然很小，且最大誤差僅有3%。

圖十四、在電池短充短放的情況，動(dòng)態(tài)電壓算法的荷電狀態(tài)的表現

　　相較于庫侖計量法電量計通常會(huì )因為電流感測誤差及鋰電池自放電而造成荷電狀態(tài)的不準的情形，動(dòng)態(tài)電壓算法它不會(huì )隨時(shí)間和電流累積誤差，這是一個(gè)大優(yōu)點(diǎn)。因為沒(méi)有充/放電電流的信息，動(dòng)態(tài)電壓算法在短期精確度上較差，且反應時(shí)間較慢。此外，它也無(wú)法估計完全充電容量。然而，它在長(cháng)期精確度上卻表現良好，因為電池電壓最終會(huì )直接反應它的荷電狀態(tài)。

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