1.鋰離子電池介紹

1.1荷電狀態(tài)(State-Of-Charge;SOC)

荷電狀態(tài)可定義為電池中可用電能的狀態(tài),通常以百分比來表示。因?yàn)榭捎秒娔軙?huì)因充放電電流,溫度及老化現(xiàn)象而有不同,所以荷電狀態(tài)的定義也區(qū)分為兩種:絕對荷電狀態(tài)(AbsoluteState-Of-Charge;ASOC)及相對荷電狀態(tài)(RelativeState-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(dāng)電池制造完成時(shí),根據(jù)所設(shè)計(jì)的固定容量值所計(jì)算出來的的參考值。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。

不同放電率下電壓與電池容量的關(guān)系

1.2最高充電電壓(MaxChargingVoltage)

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、陽極材料不同電壓值也會(huì)有所不同。

1.3完全充電(FullyCharged)

當(dāng)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。當(dāng)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。

典型的鋰電池充電特性曲線

1.4最低放電電壓(MiniDischargingVoltage)

最低放電電壓可用截止放電電壓來定義,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,而是隨著負(fù)載、溫度、老化程度或其他而改變。

1.5完全放電(FullyDischarge)

當(dāng)電池電壓小于或等于最低放電電壓時(shí),可稱為完全放電。

1.6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來放電一小時(shí)之后,理想的話,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。

1.7循環(huán)壽命

循環(huán)次數(shù)是當(dāng)一個(gè)電池所經(jīng)歷完整充放電的次數(shù),是可由實(shí)際放電容量與設(shè)計(jì)容量來估計(jì)。每當(dāng)累積的放電容量等于設(shè)計(jì)容量時(shí),則循環(huán)次數(shù)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%。

循環(huán)壽命測試

1.8自放電(Self-Discharge)

所有電池的自放電都會(huì)隨著溫度上升而增加。自放電基本上不是制造上的瑕疵,而是電池本身特性。然而制造過程中不當(dāng)?shù)奶幚硪矔?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%,而各類鎳系電池則為每月10~15%自放電量。

2.電池電量計(jì)簡介

2.1電量計(jì)功能簡介

電池管理可視為是電源管理的一部分。電池管理中,電量計(jì)是負(fù)責(zé)估計(jì)電池容量。其基本功能為監(jiān)測電壓,充電/放電電流和電池溫度,并估計(jì)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(jì)電池荷電狀態(tài)的方法:開路電壓法(OCV)和庫侖計(jì)量法。另一種方法是由RICHTEK所設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)電壓算法。

2.2開路電壓法

用開路電壓法的電量計(jì),其實(shí)現(xiàn)方法較容易,可借著開路電壓對應(yīng)荷電狀態(tài)查表而得到。開路電壓的假設(shè)條件是電池休息約超過30分鐘時(shí)的電池端電壓。

不同的負(fù)載,溫度,及電池老化情況下,電池電壓曲線也會(huì)有所不同。所以一個(gè)固定的開路電壓表無法完全代表荷電狀態(tài);不能單靠查表來估計(jì)荷電狀態(tài)。換言之,荷電狀態(tài)若只靠查表來估計(jì),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,透過開路電壓法所查得的荷電狀態(tài)差異很大。

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

2.3庫侖計(jì)量法

庫侖計(jì)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(zhuǎn)換成電池正在充電或放電的電流值。實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)器(RTC)則提供把該電流值對時(shí)間作積分,從而得知流過多少庫倫。

庫侖計(jì)量法

庫侖計(jì)量法可精確計(jì)算出充電或放電過程中實(shí)時(shí)的荷電狀態(tài)。藉由充電庫侖計(jì)數(shù)器和放電庫侖計(jì)數(shù)器,它可計(jì)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)來計(jì)算出荷電狀態(tài),即(SOC=RM/FCC)。此外,它還可預(yù)估剩余時(shí)間,如電力耗竭(TTE)和電力充滿(TTF)。

主要有兩個(gè)因素造成庫倫計(jì)量法準(zhǔn)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(yīng)用中,如果時(shí)間持續(xù)中的未有任何的修正,則累積的誤差是無上限的。

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(jié)束(EOC),放電結(jié)束(EOD)和休息(Relax)。充電結(jié)束條件達(dá)到表示電池已充滿電且荷電狀態(tài)(SOC)應(yīng)為100%。放電結(jié)束條件則表示電池已完全放電,且荷電狀態(tài)(SOC)應(yīng)該為0%;它可以是一個(gè)絕對的電壓值或者是隨負(fù)載而改變。達(dá)到休息狀態(tài)時(shí),則是電池?cái)麤]有充電也沒有放電,而且保持這種狀態(tài)很長一段時(shí)間。若使用者想用電池休息狀態(tài)來作庫侖計(jì)量法的誤差修正,則此時(shí)必須搭配開路電壓表。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。

造成庫倫計(jì)量法準(zhǔn)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(shè)計(jì)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(fù)載等因素影響。所以,完全充電容量的再學(xué)習(xí)和補(bǔ)償方法對庫侖計(jì)量法是非常關(guān)鍵重要的。下圖顯示了當(dāng)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(xiàn)象。

2.4動(dòng)態(tài)電壓算法電量計(jì)

動(dòng)態(tài)電壓算法電量計(jì)僅根據(jù)電池電壓即可計(jì)算鋰電池的荷電狀態(tài)。此法是根據(jù)電池電壓和電池的開路電壓之間的差值,來估計(jì)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(jì)電池容量值(mAh)。

它的計(jì)算方式是根據(jù)電池電壓和開路電壓之間的動(dòng)態(tài)差異,借著使用迭代算法來計(jì)算每次增加或減少的荷電狀態(tài),以估計(jì)荷電狀態(tài)。相較于庫侖計(jì)量法電量計(jì)的解決方案,動(dòng)態(tài)電壓算法電量計(jì)不會(huì)隨時(shí)間和電流累積誤差。庫侖計(jì)量法電量計(jì)通常會(huì)因?yàn)殡娏鞲袦y誤差及電池自放電而造成荷電狀態(tài)估計(jì)不準(zhǔn)。即使電流感測誤差非常小,庫侖計(jì)數(shù)器卻會(huì)持續(xù)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(jì)僅由電壓信息來估計(jì)電池的荷電狀態(tài);因?yàn)樗皇怯呻姵氐碾娏餍畔砉烙?jì),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(jù)它在完全充電和完全放電的情況下,由實(shí)際的電池電壓曲線來調(diào)整出一優(yōu)化的算法的參數(shù)。

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(xiàn)。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%。

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

相較于庫侖計(jì)量法電量計(jì)通常會(huì)因?yàn)殡娏鞲袦y誤差及電池自放電而造成荷電狀態(tài)的不準(zhǔn)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?yàn)闆]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(yīng)時(shí)間較慢。此外,它也無法估計(jì)完全充電容量。然而,它在長期精確度上卻表現(xiàn)良好,因?yàn)殡姵仉妷鹤罱K會(huì)直接反應(yīng)它的荷電狀態(tài)。