1、電池電量監測基礎知識 ?

1.1 什么是電池電量監測技術 ?

含義：電池電量監測是一種用于在所有的系統運行及空閑情況下預測電池容量的技術。 a、電池容量 -百分比 -至電量耗盡/充滿的時間 -毫安時（mAh） -瓦時（Wh） -通話時間、限制時間等 b、可獲得用于反映電池健康狀況及安全診斷的其他數據 -健康狀態 -滿充電容量

? 電池電量監測技術主要是用來報告電池的容量，同時它一般也可以提供電池的健康狀態和電池的滿充容量。 ?

1.2、概要介紹 ?

a、電池化學成分基本知識 b、傳統的電池電量監測方法 -基于電壓 -庫侖計數 c、阻抗跟蹤技術及其優勢 ? 1.3 第一部分：電池化學成分基本知識 ? 首先給大家介紹的是一些跟電池電量計量有關的一些電池化學成分的知識。 【圖為：鋰離子電池放電曲線：最優運行時間】

? 這里的三張圖是在不同情況下測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斷電壓可提供盡可能長的運行時間。 ? 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 3.5V之后會很快的發生跌落，雖然系統可以支持的最低電壓可以到 3.0V 或 3.3V，但是由于到 3.5V 之后電壓會很快跌落，為了避免突然關機造成的數據丟失或者加載文件的電路突然中斷，客戶的應用系統通常的傾向于把電池的最低容量為零的參考點設置為3.5V，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 3.5V 作為電量為零的參考點，那就好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快到 3.5V 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 3.5V 作為容量為零的參考點，那在低溫或者大電流情況，或者是接近老化的情況下，會造成所報告容量的縮減，為了避免這種情況，電池的容量需要根據溫度、放電速率、電池的老化程度進行調整。 1.4 電池化學容量 Qmax

關于電池電量監測技術里面，有一個比較重要的概念，就是電池的化學容量 Qmax。在這張圖里面，紅色的曲線和 3.0V 的橫坐標交叉點，對應的值就是 Qmax。 這個曲線是負載電流為 0.1C 的情況下測出來的，因為要測得 Qmax 必須保證負載電流足夠的小，理論上 Qmax 是指電流趨近于零時所能放出來的容量，但實際情況下，工程技術上是用很小的電流來做 Qmax 的測定，這里我們是用的 0.1C 的電流。那什么是 0.1C 呢？ C 這個概念在電池電量管理里面就是指電池的放電速率，1C 實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 小時內將 1 節電池完全放空所需要的電流。因此 2200mAh 的電池對應的放電電流就是 2200mA，那 0.5C 的放電電流對應的就是 1100mA。 在這張圖里面所提到的 EDV 指的是系統或者電池本身能夠支持的最低電壓。 1.5 可用容量 Quse

還有一個對應的容量就是可用容量。因為剛才講的是電池的化學容量，電池的化學容量是在電流很小的時候測得的容量，它更多的是由電池本身的特性決定的。那實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，在實際的使用過程中，由于有一定的放電電流，所以放電曲線會比開路電壓曲線低，大家可以看到這條曲線，由于存在電池的內阻，實際的放電曲線是藍色的這條曲線，由藍色的曲線和紅色的曲線對應的值得到 Quse，Quse 實際指的是電池的可用容量，在這張曲線中我們發現，由于電池內阻的存在使這個曲線的位置往下移了，那么放電的時候會更早的達到放電終止電壓，也就是更早的達到 EDV，所以 Quse一般是小于 Qmax。 從這個曲線中我們也可以看出，電流越大，Quse 會越小.。在這曲線當中，I*Rbat 就是指的由于內阻的存在，造成電池端電壓的下降。 1.6 電池電阻

電池的內阻對電池電壓的監測是有很重要的影響的。基本的公式可以用這樣一個公式來表示電池的內阻對電池電量監測的影響： V=Vocv-I*Rbat 這個公式里面 Vocv 指的是電池的開路電壓，I 是指充放電電流，Rbat 是指的電池的內阻，V 是指電池的端電壓。 電池的阻抗實際是受很多因素影響的，受到環境溫度、電池的容量百分百、電池的老化程度的影響。它是這些變量中一個非常復雜的函數。現在要得到這個函數的具體表達式是非常困難的，所以實際經常用實測的方法來得到阻抗，也就是用差分表的方法來得到阻抗。那么這個電池的內阻通常在 100 次充放電之后會增加 1 倍，這是一個經驗值。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的電池內阻的偏差往往會更大。所以電池是在生產當中很難把它的偏差控制得小的一個變量，電池的內阻是一個非常難控制的變量，也是非常重要的一個變量。 1.7? 電荷狀態（SOC）

剛才講到的是 SOC，SOC 實際是指的容量百分比，也就是大家經常在使用手機或者平板電腦的時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，因為 Charge 就是指的電荷的意思。那么顯然對一個充滿了的電池電壓百分比，或者電荷狀態，就等于 1；對一個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A時對應的剩余容量）除以電池的化學容量 Qmax。跟電量百分比對應的一個概念是 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 的時候，那么放電深度應該是 0；反過來容量百分比為 0 的時候，放電深度就應該是 1。 我們在 TI 的很多文檔當中會碰到 DOD 這個概念，DOD 實際上和 SOC 是一個相對的概念，它們表示的實際上是同一個意思，就是電池里面剩余的電量是多少，或者說這個電池從滿充狀態已經放了多少電了，是表示這種程度的。 1.8 抗阻與溫度和 DOD 有關

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，從圖中可以看出放電百分比越大、放電深度越大，那么電池的內阻就越大，因為這條曲線上縱坐標指的是電池內阻，它的單位是歐姆；橫坐標指的是放電百分比，也就是 DOD。不同顏色的曲線表示的是不同溫度下測得的數據，顯然在同一個溫度下面，放電百分比越大，也就是放電越深，那它的電池內阻就越大。那么我們在這張圖上還可以看到，在同樣的 DOD 下，也就是同樣的容量百分比下，溫度越低，電池的內阻也相應的越大。這是一個基本的概念，這是大家要對電池所形成的一個基本的認識。 1.9 抗阻和容量隨老化而改變

電池的內阻除了和溫度、容量百分比有關，另外一個影響比較大的因素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，化學容量會減少 3~5%，這個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的增加對容量減少的影響還不是很大。 但是放電速率的增加對內阻的影響是很大的，右邊這張圖指的是電池的內阻和放電次數增加的關系，這里面有很多條曲線，這張圖的橫坐標是測電池內阻時所用的頻率，縱坐標是指電池的內阻。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 次在不同頻率下測得的電池內阻的曲線，這 2 條曲線在縱坐標交點的值基本相差了 1 倍，所以說 100 次循環之后，電池的內阻增加了 1 倍。這里的內阻橫坐標用的是頻率，表示在頻率很低的情況下，內阻的變化隨著循環次數的增加是很顯著的，但是反過來講，隨著頻率的升高，比如說：測試負載的變化頻率升高到 1KHZ 的時候，內阻的變化基本可以忽略不計了，大家可以看到這么多曲線基本都匯聚到同一點去了。那么實際上對我們電池電量監測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，所以我們應該看右邊這張圖曲線和縱坐標的2 個交點，從這個交點上我們可以看出，循環次數對電池的直流內阻影響。 1.10 新電池的阻抗差異

這張圖表現的是新電池阻抗的差異。電池的工藝結構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。所以整個電池來講，如果要測量它的阻抗，阻抗可以分為實布和虛布，在這張圖中，我們用一個交變的負載去測定電池的內阻，這個電池的變化頻率，也就是負載電流的變化頻率，是從 1KHZ 變到 1mHZ，1KHZ 的概念大家經常接觸到，就是 1 秒鐘變化1000 次；1mHZ 就是 1000 秒變化 1 次，這個變化頻率就相當緩慢了，也就是說測的其實是一個直流的阻抗。 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的線性增加的，但是交流阻抗它有一個變化的趨勢，一開始是小，后續慢慢的變大，然后又變小，最后又變大，這是由于電池內部存在電容和電感這些因素綜合影響造成的。但是直流阻抗是單調的增加的，隨著頻率的降低，直流阻抗是越來越大的。 那么對電池電量監測技術來講，我們關心的是 1mHZ 時的直流阻抗，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 15%左右的阻抗偏差會造成在如果是 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電壓來判斷容量，大概會引起 26%左右的容量誤差。 1.11 電池剩余容量（RM）

下面介紹的是電池的剩余容量。剩余容量是指當前狀態放到 EDV 的電池容量，EDV也就是終止放電電壓。圖中當前狀態 A 在一個給定的電流下進行放電，放電到 3.0V 的時候，對應的剩余容量從圖中標出的就是 RM1。那如果在狀態 A 的情況下，同比較大的電流放電， 這個時候這個曲線的位置會比開路電壓更低一點，也會比剛才的小電流放電的 RM1 對應的位置更低一點，那這個時候得到的剩余容量是 RM2。RM2 和 RM1 對應的放電曲線它們的區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際使用過程中在放電的情況下，會發現電池的容量由少變多，他感到不可理解，實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，當我們看到電池容量由少變多的情況，這個通常是由于放電電流突然變小造成的，因為在不同的電流下電池可以放出的容量是不一樣的，當放電電流變小的時候，它可以放出的容量是可以增加的。

1.12 電池化學成分概要

我們現在簡單回顧一下剛才介紹的概念。 Qmax 是指電池的化學容量。這個容量的值是和負載沒有關系的。它是指在極小的負載電流情況下，電池能夠放出的容量，通常它的單位是用 mAh 來表示的。 Quse 是指電池的可用容量。這個容量是和負載有關的，不同負載的情況下，電池的可用容量是不一樣的，負載電流越大，電池的可用容量越小。 為什么Quse和Qmax會造成這樣的區別呢？這主要是由于電池的內阻和負載在電池的 電動勢和端電壓直接產生了一個壓降，還有一個概念就是電池的容量百分比，或者是說電荷狀態，它的單位是%，這個%實際上就是電池的剩余容量除以電池的化學容量得到的。 剩余容量叫 RM，RM 的大小也是取決于負載的，負載越大，在同一個狀態下剩余容量就越小。 還有一個概念就是電池的老化會影響到電池的阻抗和容量。老化對阻抗的影響比較明顯，100 個周期之后阻抗會增加 1 倍。老化對容量的影響不像阻抗這么明顯，但是 100 個周期之后會有 3~5%的跌落。

2、傳統的電池電量監測方法 2.1 目標：充分利用可用的電池容量

電池電量監測的主要目的是為了最大程度的利用電池里面的容量，通常來講，電池里面的容量我們一般很難做得 100%利用的，為什么呢？

這里存在 2 個因數

第 1，在充電的時候，充電電壓很難正好是電池的滿充電壓，通常我們為了防止電池出現過沖狀態，這個充電電壓誤差是往下偏的，也就是說 4.2V 的電池，充電電壓有可能是 4.18V 或 4.15V，這樣，如果在這個低充電電壓下進行充電，充進去的容量可能就會變小；

另外，由于電池電量監測的不準確性，用戶為了安全，防止突然關鍵造成數據丟失，可能電量估計得會比較保守，也就是說電池真正的電量還沒到 0%的時候，他就提前報成 0%，讓系統提前關機，這樣至少可以避免用戶的數據丟失，當然用戶體驗上感覺電池的容量變小了，這是一個缺點，這樣做的后果也是導致電池的容量不能充分的發揮出來，電池電量監測技術是為了最大程度的提高對電池電量的監測，讓用戶能夠最大程度的使用當前電池里面的容量，這個藍色的這段實際上指的就是電池的有效容量，我們這個技術就是為了把實際的有效容量盡量的往上或者往下擴展。

2.2 傳統的電池包側電量監測計

傳統的電池包電量監測技術是這樣一個框架結構的，電量監測的芯片一般來講是放在電池包里面的，在這張圖里面虛線圍起來的部分就是電池包，這個電池包一般是有鋰電池電芯，也就是這里看到的一個電池電氣符號，還有紅色方塊所代表的電量監測計，這個就是 TI 的器件所在的位置。 還有就是控制 MOS 管的保護器，這個保護器是在電池過充或者過放的時候動作切換 MOS 對電池芯進行保護，一般電池包里面還會放一個熱敏電阻，用來監測電池包的溫度，那么除了左邊指的是手機或者平板電腦的系統板，在這塊系統板上跟電量計發生關系的主要是電源管理芯片和主機的處理器，主機的處理器通常是通過 I2C或者單線的 HDQ總線來讀取電量計里面的電量信息的。 在這個電量信息得知的情況下，來決定現在有多少時間到電池完全放完，有些用戶要做某些事情的時候可以提示用戶現在電量是否足夠，這是一個傳統的解決方案，就是說把電量計放在電池包里面的解決方案，TI 在這方面主要的器件有 BQ27541、BQ27545 這 2 顆主要的芯片；我們后續還推出了 BQ27441，這是比較低成本的方案；我們還有 BQ27741，這把電量計和保護器做到一起的一個方案；我們還有 BQ28z560，這個也是包電量計和保護器做到一起的一個方案。 2.3 系統側阻抗跟蹤電量監測計

隨著技術的進步，或者說 TI 的阻抗跟蹤技術的推出，現在出現了這樣一種運用，把電量監測計放在設備的主板一側，電池這一側就只有一個保護器和 MOS 管，還有熱敏電阻，當然還有 1 個電芯在里面，這樣的話有什么好處呢？電池包的成本就大大的降低了，電池包的供應商也比較好找了，因為他把電量計從電池包里面搬到了主機側，所以這樣的方案現在都是可行的，TI 同時提供對這 2 種方案的支持。還有 BQ28z550，這個方案是把電量計放在便攜設備的系統板上，這樣電池包里面就不需要放電量計了，這樣就可以降低電池包的成本，使得供應商更容易找到，這種 TI 的電量計主要有 BQ27510、BQ27520，BQ27441 也是可以用在這個場合的，還有 BQ27425、BQ27421……等等芯片。

2.4 電量監測計有哪些功能？

a、電池與用戶之間的通信 b、測量： - 電池電壓 - 充電或放電電流 - 溫度 c、提供： - 電池運行時間和剩余容量 - 電池健康狀況信息 - 總體電池電源管理（工作模式） 電量監測計的主要功能是哪些呢？ 電量監測計首先要完成系統和電池之間的通訊，系統要知道電池有多少電量，需要跟電量計之間的總線通訊，剛才說了 I2C 和單線的 HDQ 總線通訊來得到，在通訊的過程當中，系統主要可以得到哪些信息呢？ 第 1 個是實測的模擬量信息，比如說電池的電壓、電池的充放電電流，還有電池的溫度。這些基本的模擬量信息作為一個電量計來講，它更重要的還要提供電池的容量信息，也就是剛才所說到的電池的剩余容量、電池的運行時間，還有電池的健康狀況的信息，還有一個就是這個芯片本身要能夠完成工作狀況的轉變，也就是說它要從正常工作模式，轉到低功耗模式，實現這種轉變，達到一個什么目的呢？達到一個節省電量的目的。 2.5 如何實現電量監測計

怎么實現電量監測呢？ 第一種方法就是基于電壓的電量監測，電量百分比或容量百分比把它看成是電池電壓的一個函數，這是從經驗上到得到的一個公式，當然這種函數本身的表達式不一定要得到，它只要得到一個開路電壓和容量百分比對應的表格就行了，這個表格各個點之間的數據可以用差補的方法得到。 還有一個方法就是庫侖計數，庫侖計數是對充進電池或者電池里面放出的電流進行積分所得到的一個能量。我們可以把電池看成我們汽車的油箱，這個油箱充進多少油，放出多少油，就可以算出里面剩多少油，這也是一種比較直觀的根據生活經驗得到的一種算法。 現在最新的算法是阻抗跟蹤算法，這個算法其實它是依據實時的對電池的內阻測量來得到電池的容量，它的公式就是圖中這個公式，剛才已經列舉過，也就是電池的端電壓 V 等于電池的開路電壓減去電流乘以電池的內阻，這個電流是指電池流進或者流出的一個總電流。 2.6 基于電壓的電量監測計

下面先介紹一下基于電壓的電量監測計，這張圖是一個電池的開路電壓曲線，這個方法的基本思路是對不同電壓我們用不同的格數來表示電池的容量，比如說在 4.2V 的時候用 4格來表示，這是滿格的電池；3.8V 的時候我可能用 3 格來表示電池的容量，3.6V 用 2 格；3.2V 可能就用 1 格來表示電池的容量，就是說用不同的格數來對應不同的電池電壓，來表示電池的容量，這種方法精度比較差，通常用在低端的最早期出現的那些蜂窩電話，或者早期出現的數碼相機里面。這種方法會有一個什么問題呢？ 就是說在電流波動的時候這個會上下跳變，比如說我有一個放電電流的情況下，或者電流比較大的情況下，在放電的過程當中大家可以看在紅顏色的這個箭頭地方，如果電流在這一點突然減小，或者說我突然變成 0 了，這個電壓很顯然的就會往抬，電壓一般抬到這一點的話，它的格數就會變成 2 格，再往下的時候這變化就會更明顯，再往下的時候電池格數可能接近 0 格或者用紅顏色來表示這個電池的格數，這個時候的跳變就會由紅顏色變成 2 格，這個時候就會來回跳，如果電流變化的情況下，比如說，他剛才打電話打到這里停掉了，電池就剩 2 格，他以為還有電，然后突然又來一個電話，一下就變成 0 了，所以這種表示誤差會比較大，因為大家看到這里實際上是用 4 格來表示電池容量的，因為 1 格就對應了 25%的容量，所以跳一格就有 25%的容量差，跳 2 格就有 50%的容量差，所以這種方法誤差比較大。誤差比較大的原因就是因為電池存在內阻，在電流比較大的情況下，它的格數跳變會比較多。

2.7 電池電阻

這個是電池開路電壓和端電壓的一個公式，剛才已經講過電池的內阻是溫度、電荷狀態和電池老化程度的一個函數；電池內阻在 100 次充放電之后會增加一倍；同一批電池的阻抗偏差可能會在 10~15%；不同電池制造商或者質量比較差的制造商內阻偏差會更大。 2.8 阻抗與溫度和 DOD 有關

這里對容量計算影響最大的或者最難得到的一個信息就是 I*Rbat，當然 I 是比較容易得到的，只要測定流進流出的電流就可以了，以現在的技術這個可以測到±1mA 的精度。那么這個 Rbat 相對來講就比較難一點測定，因為它是要根據 2 個量計算得到的。這是阻抗與溫度和容量百分比的關系，這個關系剛才已經講過了，基本上阻抗是隨溫度的降低而增加，隨著容量百分比的減少而增加，是這樣一個概念。 2.9 新電池的阻抗差異

這個是阻抗的偏差，這個是一個什么樣的概念呢？就是說我們通常來講，使用的阻抗對電量計量影響比較大的哪個阻抗指的是在低頻狀態下的阻抗，是在 1mHZ 下的阻抗，實際上就是直流阻抗，而不是通常我們用市場上看到的內阻測試儀測到的阻抗，那個阻抗是在 1KHZ下測到的電池內阻，那個內阻通常來講看上去比較小。上面是已經介紹過的對容量計算精確度的影響的 3 個因素，是溫度、容量百分比和老化程度，這些會給容量的計算造成影響，這個影響是指用電壓來監測電量的方法的影響。除了這些因素的影響，如果用的是電壓監測的方法，那么還有一個影響也是不可忽略的，而且這個影響也比較難處理，這是很多電量管理的工程師頭痛的一個問題，就是電池有瞬態響應的問題。

2.10 電池-瞬態響應

大家從這 2 張圖可以看一下，電池在比較滿充的情況下放電，前面這條曲線是表示一個放電的過程，放到這個時候電壓比較低了，然后負載移除，這個時候電池的電壓并不是立刻回到電流為 0 的時候，因為大家想到負載移除電流就變 0 了，這個時候的電壓有沒有回到電流為 0 的電壓呢？沒有。它是慢慢的回上去的，它花了很長時間才回上去，大家看到這條曲線。大家平時的經驗也可以證明這一點，就是說平時一個電池放電之后，然后你把負載拿掉，它的電壓是在不斷的變化的，那么這個電壓變化穩定的過程要多長時間呢，大家看到這這一點大概是 1600 秒，基本上要穩定下來是到 3500 秒，大概有 2000 秒左右的時間，才能穩定下來，這個是電壓在 3.8V 到 3.9V 左右進行的放電，也就是說電池這個時候還沒有飽。根據剛才介紹的在電池比較飽的情況下，也就是在電池容量百分比比大的情況下，電池的內阻這個時候是比較小的，電池內阻比較小的情況下它恢復的還算快的。下面這張圖大家可以看到這邊的電壓是比較低了，從 3.3V 左右開始放電，放了一段時間后，這個時間也很短，因為鋰電池電壓比較低的情況下，稍微放一會電，接近到 3.2V 系統最低能夠接受的電壓，這個時候如果停在放電，這個電壓需要多長時間回上去呢，基本上要更長的時間，比如 3000 秒以上的時間才能夠把電壓穩定下來，所以在這段時間之內，它的電壓是不夠穩定的，但是沒有負載，電流是一直是 0，這個時候你去讀電壓，電壓是一直變化的，對應的容量百分比到底是多少呢？這個時候就會產生誤差。

2.11 電壓弛豫和電荷狀態誤差

大家可以看到在 20 至 3000 秒之間電壓的差異可以超過 20mV,那么 20mV 這個電壓值在計算容量的時候，它已經可以造成很大的容量偏差了，尤其在電壓放電的平坦區這個階段，它可以造成很大的容量偏差，所以電池的瞬態響應會對用電壓來監測的計量方法造成比較大的誤差。 在這條曲線當中，這條曲線是把電池的放電曲線倒過來了，這個縱坐標變成了容量百分比，橫坐標是電池的電壓，這張圖表示的什么意思呢？就是說在這個階段其實是電池處于中間階段，如果把這個平臺拉長一點，你就可以看到在這段的時候電壓變化是比較緩慢的，容量變化就是比較大，也就是說在這段你是用電壓來監測容量的，那么這個電壓稍微有一點點誤差就會造成容量上面很大的誤差。右邊這張圖指的是在不同的電壓下面對應容量的誤差，大家可以看到，在電壓的中間點，也就是放電曲線的電壓平坦，也就是 3.7 到 3.8V 左右，這段時間對應的誤差是最大的，這段時間對應的誤差可以到 15%，這就是電壓方法來計算容量造成的誤差。

所以基于電壓監測計量的誤差主要是有這幾方面造成的，1 個是弛豫誤差，就是剛上說的電池在負載移除之后電壓的恢復時間，這里的一個典型值是 20mV 的弛豫測量誤差，實際的誤差會比這個弛豫誤差遠遠要大，大家可以在電池放空之后看一下，放空剛結束的時候到電壓穩定下來，它們的電壓誤差其實是很大的。 還有就是 15%的電池間的電阻誤差，剛才說過，同一個供應商生產的同一批電池如果他的工藝過程控制得比較好的情況下，這些電池的內阻偏差可能會有 15%，這還是比較好的情況，那如果不同的供應商，或者供應商過程控制比較差的情況下，這個電池間的電阻誤差會更大。在左邊這張圖上我們就可以看到紅色的指的是由于電池的瞬態效應造成的弛豫誤差，上面淺藍色的這個曲線是電池個體阻抗之間的偏差造成的誤差，這 2 個綜合起來總的偏差大概可以到 15%左右，這個是對新電池的 15%，還是在電流控制得比較好的情況下得到的一個測試結果。

2.12 基于電壓之電量監測的 SOC 誤差

大家知道對于電池的容量計算還有一個比較大的影響因素就是電池的使用年限，在這張圖上面，在不同使用年限下測得的誤差，紅色的表示的是第 1 次或者第 0 次得到的周期得到的誤差曲線，這個曲線就是我們這張圖標的 15%左右的，最后標在這里的就是 15%，那么 100次之后大家知道阻抗其實增加了 1 倍，剛才那張圖大家也可以看到，在 100 次循環之后電池的內阻增加了 1 倍，按照這個規律繼續上去誤差會越來越大，阻抗的誤差對容量造成的誤差也相應的越來越大，所以基本上在 300 個周期之后，在容量比較低的情況下造成的誤差就會很大，75%或者更多一點，所以基于電壓測量的電量計算技術只能夠用于那些要求不高的場合，它的誤差比較大，通常在早期的 diqital camera 里面的電池是用這種方法來計算它的容量的，那么對這個容量計算造成影響最大的就是電池的內阻，造成電池內阻變化比較大的原因就是電池制作上的工藝造成電池內阻的偏差，另外一個就是電池使用時間的延遲造成電池的內阻也會發生很大的變化，這些變化工程師也很難知道一個準確模型的，只能根據經驗去估計，這樣估計出來的結果和實際的結果就會有比較大的偏差。

3、基于電壓的電量監測計

3.1 基于電壓的電量監測計

a、優勢

- 無需完全放電就能進行學習

- 自放電無需矯正

- 在小負載電流條件下非常準確

b、劣勢

- 由于內部電池阻抗的原因，準確度欠佳

- 阻抗與溫度、老化和電荷狀態之間存在函

總結一下，基于電壓的電量監測計它的缺點就是由于電池內部阻抗的原因造成準確度不好。阻抗、溫度、老化狀態和電池的容量百分比之間是存在一個函數關系的，這個函數關系相當復雜，要專業搞電池的人才能夠找到一個比較近似的函數關系，很難找到一個精確的函數關系，所以這種模型相當復雜，一般的電子工程師或軟件工程師要寫出很精確的關系是很難的，所以大家在軟件計算里面有關容量方面的計算是工程師們最頭痛的一個問題，那么它也有一些優勢，優勢是它不需要完全放電就能夠得到電池現在的容量是多少。

因為做過電池、電池包生產，或者用過電量計的人都知道一個電量計出廠之前一般可能要進行一個完全的充放電。為什么要進行充放電呢？這是要定位現在電池的容量是多少，電池的滿充電量是多少，尤其是電池的滿充容量，不同的電池滿充容量是有差別的，當然你可以選一個電池的設計容量，但是不同的電池與設計容量之間的偏差還是比較大的，要得到這個滿充容量，還是要做一個完整的充放電才行，那么具體的充放電對生產過程的要求就比較高了，要加上很多的直接成本。

另外，電池有自放電的特性。電池放在那里，即使負載不工作，電池自己也會漏電，時間長了以后電量會越來越少，電壓會越來越低，那么電壓監測的電量計它只要根據電壓來判斷容量，所以現在有多少電壓就報告多少容量，那么自放電多少不用去太關心，所以這種基于電壓的電量計如果在電流很小的情況下，它還是達到一定的準確度的，但是目前來講，各種應用越來越復雜，電流的變化也越來越大，所以基于電壓的電量監測計要滿足客戶的要求就有點難了。

3.2 基于庫倫計數的電量監測

除了基于電壓的電量監測計，還有一種電量計就是庫侖計數的電量監測技術。 這個電量監測計的思路就是，首先把一個電池充到滿，充滿過程中就能夠知道電池的現有容量，就是電池的滿充容量，然后在放電過程當中把電池的放電容量從現有容量中扣去就可以得到現在電池里面還剩多少容量。它的思路其實就是電流對時間的一個積分來得到放出多少容量，從而得到電池里面剩多少容量。 用這種技術每次放電結束的時候放出容量都會有一個記錄，這個記錄的容量就作為電池的滿充容量，所以每次放完結束的時候 Qmax 會被更新，也就是電池的化學容量和最大容量都會被更新。

3.3 在完全放電之前進行學習

理論上是這樣，但實際在更新電池的滿充容量或化學容量的時候，不一定會把電池完全放空了再去更新，因為這時更新電池電壓就很低了，有可能系統要關機或者有什么情況，這個時候就已經太晚了，通常的更新是在電池容量放到還剩 7%左右進行更新，這個更新的思路是說到容量到了 7%，意味著放掉了 93%的容量，如果對剛才放掉的容量進行積分就會放掉容量的 mAh 數，用這個 mAh 數除以 93%就可以得到滿充容量，這樣也達到了學習的效果，所以一般學習不會放到 0%的時候再去，一般在 7%的時候去學習。至于學習，學習的是電池的滿充容量，有了滿充容量之后，對放電的電流進行積分，才能夠算出現在剩多少容量，所以滿充電池的電量對電量的計算也是比較重要的。至于 7%和 3%對應的電壓是多少，這取決于當時的電流、溫度和阻抗。一般在室溫電流恒定，同一批電池阻抗相差不是太大的情況下，這個電壓也可以認為基本恒定，因為在 7%的時候是 3.5V，這個時候電壓偏差造成容量的偏差不會太大，所以可以在 7%時進行修正。

3.4 經補償的放電終止電壓（CEDV）

剛才講到 7%這一點其實是在給定的溫度、電流或者同一批電池的情況下，這一點的電=壓基本固定了，但是實際上它的電流不可能是一個固定的電流，在使用的過程中電流總是會在不停的變化的，那么 7%對應的電壓也是不同的，也就是不同的電流對應的 7%是不一樣的。 在這一條曲線中，放電電流為 I1，I1 對應的電壓在這條曲線當中是 3.5V，用 CEDV2來表示，CEDV2 是 I1 的函數，如果這個電流發生變化了，同樣用 7%的電壓來修正，這個誤差就大了，從 CEDV 的曲線中可以看到，7%對應的電壓實際還有 30%剩余容量，如果按照 7%去進行同步或學習，去修正滿充容量，就會有 23%的容量丟了，所以這個時候就造成了一個大的誤差，所以這個算法就要根據電流來對 7%這點的電壓進行修正，7%這點的電壓我叫做 CEDV2，把這一點的電壓找到跟電流的函數關系，不同的電流下得到不同的電壓。所以在電流 I2 的情況下，我們得到 CEDV2 其實它的電壓比 3.5V 要低一點，CEDV2(I2)實際是根據復雜的計算得到的，它的公式大概的是這樣的: CEDV=OCV(T,SOC)-I*R(T,SOC) ，CEDV 的 C 是補償的，EDV 是終止放電電壓，也就是經過補償的終止放電電壓實際是等于電池的開路電壓減去由于內阻造成的壓降。關鍵是在這個公式里面 OCV(T,SOC)可以找到一個跟曲線匹配比較好的函數，而且這個曲線也不大會變化，但是后面這個曲線它是 T 和 SOC的函數，這個曲線就很難找一個匹配的函數，所以說這個公式相當復雜。

由于內阻差異性的存在，這個公式使用過程當中它的準確度是有限制的，不是說在整個放電過程當中這個公式都是通用的，通常我們用這個公式算的時候，在 7%以下是用這個公式算的，也就是 R（T,SOC）這樣一個函數關系式，這在我們的 datasheet 里面是可以找到的，適用的范圍僅僅只是 7%或 12%以后的范圍。這樣的其實也夠了，因為修正指需要在 7%左右修正就行了，所以它適用的范圍小這個問題不大，那么 12%以前還是用庫侖計算來進行積分，庫侖計算積分造成的誤差可以在 12%以后通過電壓修正來得到補償，這就是 CEDV算法的簡單思路。這個公式反應的其實是阻抗、溫度和 SOC 之間的一個關系，這種關系反應的是電池的阻抗，這個公式里面一般參數定了之后，阻抗、溫度和容量百分比的關系就定了，實際上隨著電池使用年限的增加，內阻是肯定會變的，但是這個公式其實沒有反應電池的內阻和使用年限之間的差異，這個公式不能夠反應出這個差異，當然我們后續的算法當中加了改進，加了一些線性的補償，這個可以在我們的同 CEDV 的芯片里面，比如 TI 的BQ3060，早一點的 BQ2084，BQ2085 這幾個是用 CEDV 算法來做的。

3.5 電池管理產品-電池電量監測-BQ3060

3.6 基于庫倫計數的電量監測 a、優勢 -不受電壓測量失真的影響 -準確度由電流積分硬件確定 -監測誤差：3-10%（取決于工作條件和用途） b、劣勢 -需要學習周期以更新 Qmax：電池容量隨老化而下降，Qmax 較少幅度：3-5%（100 次充電） -在不學習的情況下，每充電 10 次監測誤差將增加 1%，自放電必須建模：不準確 與老化相關的主要參數：阻抗

基于庫侖計數的電量監測它的優勢是什么呢？

因為它主要是根據電流積分來進行電量計算的，所以電壓測量的失真對它的影響就比較小，電流有多準，是由電路積分的硬件來決定的，整 CEDV 算法如果你參數控制得比較好，誤差可以控制在 3%甚至更低一點，如果參數和實際電池的模型匹配可能會大一點，大概整個誤差在 3~10%左右，具體取決于工作的條件和用途。 它的劣勢就是剛才說的，因為它是用庫侖計數，也就是說充進去多少電、放出了多少電來進行容量計算的，前提是它要知道電池的滿充容量，才能夠算出電池里面剩多少容量。這個滿充容量一般要在出廠之前更新一下，因為電池的滿充容量和剩余容量偏差還是比較大的，不能夠直接用電池的剩余容量當滿充容量來做，所以電池出廠以前都要做一個充放電周期循環來得到電池的滿充容量，根據循環來得到滿充容量是電量計自己來做的，但循環是需要在生產線上配備專門的工具來做的，所以這個比較耗時間。 還有電池的容量也會隨著使用年限的增加而下降，當然下降得不像阻抗那樣的顯著，但是 100 次充放電之后也會有 3~5%的下降，這個下降也要想辦法進行補償，為什么呢？因為你在實際使用的情況下，不是每一次放電都能夠得到學習的，因為我們的用電設備拿出去（手機或筆記本電腦）放電，它不一定會從滿充的情況下一直放到空，或者放到 93%以下讓你去更新滿充容量，一般可能放電到一半，或者稍稍放一下電就立刻把適配器給插上了，這種情況下放電就很淺，它不一定有機會去更新滿充容量，在沒有更新的情況下，每充電 10 次監測的誤差將增加 1%，這樣的話 Qmax 不更新它的誤差就會越來越大，所以在實際使用過程當中，如果用老式的電量計，大家如果有這樣的經驗，筆記本電腦拿出去一個月可能要讓它全充全放一次，讓它不斷的去更新里面的 Qmax 的參數，做得相對準確。還有一個就是對電池的自放電進行估計，它是不準確的，因為像剛才所說的基于電壓的電量監測技術，電池有多少電量，它判斷電壓然后去查一下表現在剩多少，至于電池在內部放了多少電，它是不用關心的。

如果是庫侖計的話，它主要不是根據電壓來判斷容量的，它是根據電流的充放電來判斷容量的，電池內部的充放電，庫侖計的監測芯片是監測不到這種電流的，因為庫侖計是接在電池外面的，只能監測到電池流進流出的電流，電池內部耗掉的電流它是測不到的，所以每次放電放了多少它只能用一個簡單的模型去估計一下，所以這個結果也不是很準確，使用年限延遲之后也會造成誤差的增加，所以這里面有個比較大的因數就是電池的老化，庫侖計在處理老化上面，它的辦法比較受局限，老化造成的影響，一個是容量會隨著老化的增加而減少，另外一個老化以后電池阻抗會增加。剛才說到電池的阻抗增加的時候，電池的 CEDV計算誤差也會變大，因為在這個公式里面這個阻抗只跟溫度和容量百分比有關，加進了對容量的估計，這個估計其實也是一個線性的，跟實際的電池還是有一定的差異，所以這個電池年限的增加阻抗對容量造成的貢獻來講誤差會越來越大。所以 CEDV 算法它考慮到了電池阻抗對電壓的修正，但它沒有考慮到電池阻抗隨時間變化的因素，或者說考慮得比較簡單。 所以傳統的電量監測方法在沒有負載的情況下可以用電壓監測的方法來得到比較準確的容量，在有負載的情況下可以用庫侖計數來得到容量，所以這兩種方法算是互補的。其實在市場上可以買到的芯片基本上也是把這 2 種方法結合起來使用的。

3.7 對于典型電量監測計的優勢

3.8 電池管理產品-電池電量監測-BQ3060

3.9 問題考查

所以不管是基于電壓的電量監測計還是基于電流積分的電量監測計，里面對容量的計算影響比較大的都是阻抗，這個阻抗里面對于老化造成的影響都是基于一個簡單的線性模型來做的，或者說早期的就沒有這一部分老化的影響，這樣由于它依據的模型相對比較簡單，所以實際上跟電池的匹配成功比較差，也就是說造成的誤差會隨著時間年限的延長越來越明顯，所以對電池電量計算影響最大的一個因數其實是電池的阻抗，如果能夠隨時隨地的得到電池的阻抗，那我們電池的容量就可以得到比較精確的計算。

4、阻抗跟蹤技術的優勢

下面我們就來介紹 TI 的電量監測技術（我們叫做阻抗跟蹤技術）和它的優勢。

4.1 電流監測

-基于電壓的電量監測：可在無負載條件下提供精準的監測

-基于庫倫計數的電量監測：可在有負載條件下提供準確的監測

-整合了基于電壓和基于電流之監測方法的優勢

-實時阻抗測量

-采用開路電壓和阻抗信息來計算給定平均負載條件下的剩余運行時間

剛才講到基于電壓的電量監測技術可以在沒有負載的條件下提供比較準確的電量監測，基于庫侖計數的電量監測可以在有負載提供準確的電量監測，我們的阻抗跟蹤技術其實整合了電壓和電流方法監測的優點，它為什么能夠得到 2 種方法的優點呢？

因為它實時的測量電池的阻抗，它沒有去找一個電池阻抗的公式然后對一些因數進行補償，它是找到了一個實時測量阻抗的方法，因為它是實時測量出來的，就沒必要去根據模型來對它進行補償。在知道電池阻抗的情況下，可以根據開路電壓和阻抗信息來估算在給定的電流下面系統或者電池能夠提供多長運行時間或者提供多少容量給系統運行。這個公式在這個地方就更加細化了一點，也就是說電池的端電壓等于電池的開路電壓減去內阻上面的壓降，內阻上面的壓降主要是由于電池的內阻造成的，內阻這個地方是由溫度、容量百分比、年限 3 個因素共同決定的，但是如果你要用一個公式來表示這個內阻的話，就會相當復雜，而且效果也不理想。我們的辦法其實是對阻抗進行實時的測定。

4.2 OCV 曲線的比較

阻抗測定這東西基本的思路是怎么樣的呢？電池的電壓我們在實際使用的過程當中，電池端電壓會隨著很多情況發生改變，剛才已經講過了，電池的端電壓可能會隨著電流的大小發生改變，電池的端電壓當然也會隨著容量百分比發生變化，在同樣的百分比，同樣的電流下，電池的端電壓可能還和溫度有關系，和電池的老化程度還有關系，但是這只是我們看到的表面現象，其實更本質的來說電池內部的開路電壓曲線或者說電池的電動勢它是跟這些外面的因數對它的影響相對來說不是那么明顯，可以找到一些共同性的東西，不同廠商生產的電池在給定的測試條件下，比如說在同樣的溫度下，這個曲線誤差是很小的。

這條曲線是我們綜合了 5 家電池制造商做出來的電池測出來的開路曲線，大家看到這些開路曲線基本上是一致的，那么它們是在同樣的溫度下測出來的曲線，因為它是開路電壓，也談不上電流，當然它的測定過程也是相當繁瑣的，因為它要得到電流近似為 0 的狀態下的開路曲線，它的測試過程還是比較繁瑣的，在這條曲線上我們可以看出，這條曲線基本上不會隨著制造商不同發生變化，制作賞因為工藝不同可能阻抗上會有比較大的變化，但這條開路電壓曲線基本上大家都是一致的，大多數的電壓偏移小于 5mV，由這個電壓來進行 SOC 的預測誤差一般在1.5%之內，所以一旦找到這樣的曲線，對不同的電芯供應商做出來的電池就可以用同樣的曲線來進行計算，這個曲線的計算可以知道電池的開路電壓，可以反過去查出電池的容量百分比，主要就是這樣一個曲線。

知道電池電容容量百分比之后，知道電池的化學容量或者滿充容量，就可以知道它剩多少 mAh 的電量，那就可以算出運行多長時間，后續的容量百分比可以進一步的計算出來。 下面這張圖是誤差的放大圖，這個誤差在整個放電過程當中，這是一個電壓誤差，包括測定設備的影響，這個誤差在±15mV 之間，這樣的誤差大概在容量的誤差、SOC 的計算誤差是在±1.5%之內，為什么呢？因為這個地方的電壓誤差還跟儀器的測量精度有關系，儀器的測量精度這些都考慮進來之后，所造成的容量百分比誤差在 1.5%之內。

4.3 怎樣測量 OCV

5、電量監測 5.1 電量監測

這張圖也是一樣的，這張圖不是一個新電池，相對來講是一個比較舊的電池。它也是放到3.5V 關斷和在剩 10mAh 容量的時候關斷，在這種情況下它的時間大概增加了 58% 。

這是在低溫下的情況，低溫下時間延長的效應更明顯，因為低溫下的內阻增加了很大，在這里使用的時間延長了 121% 。

在這種測試條件下它的負載電流變化更大，這種情況下它甚至可以延長到 290%，為什么呢？因為如果在低溫下在這個地方它就要關機了，這個時間相當短，剛開始放電還沒放多久就要關機了，那么如果用了阻抗跟蹤技術呢，可以繼續放 80 多分鐘才關機，因為只要保留 10mAh 容量關機就足夠了，所以這可以延長很多時間，我不是絕對的根據電壓做一個剛性的指標決定它要不要關機的，是根據剩余容量來決定要不要關機的，這樣的話只有用阻抗跟蹤技術才可以算出到多久必須關機，所以用阻抗跟蹤技術可以大大的改善用戶體驗，用戶體驗在現在的便攜式的消費類電子產品當中對擴大銷量、帶來競爭優勢它是一個很重要的因數。

所以阻抗跟蹤技術它的優勢就是，具體更深入的講它在有些地方可以，剛才介紹的是比較直觀的可以想到的一些優勢，其實阻抗跟蹤技術里面隨著算法的不斷改善在使用過程當中電池的溫度不斷的上升下降引起的阻抗變化加入了溫度模型的估計，引入了熱模擬來對電池的發熱進行調節，而且對使用過程當中對負載的變化也做了一個學習，就是說一個用戶的使用習慣下對一個用電設備，它的電流的變化是有一定的規律的，那么阻抗跟蹤的芯片在使用過程當中它會慢慢去學習這個規律，掌握由于負載變化引起的電壓降，這些壓降其實對容量計算也是要考慮的，也要考慮這些因數的，當然之前也講到對于老化的電池由于阻抗跟蹤是實時的計算電池的阻抗的，它對老化的電池不需要用模型去進行估計，它是實測出來的阻抗，所以老化的影響相對來講對它就比較小。由于它精確的計算容量，可以最大限度的延長使用時間，大家從剛才的那幾張圖上可以很明顯的看到。有了阻抗跟蹤的芯片我們的主機系統就不需要任何算法再去計算電池的容量，只需要簡單的讀取指定的寄存器就可以得到容量。有了阻抗跟蹤技術你還可以對電池徹徹底底的進行一些分析，比如說電池的老化程度、電池的健康狀況……等等。

5.2 得到使用的電池容量的含義

還有一個優勢在什么地方呢？就是隨著阻抗跟蹤技術的使用，電池的容量得到更準確的計算，在電池容量更準確的計算的情況下，其實這個電量計就可以給你帶來成本上的節省了。 對電池來講，通常 100mAh 的容量它的成本大概在 0.15 美元左右。舉一個例子，由于降低放電終止電壓來得到較大的電池容量，這里的 TV 值就是放電的終止電壓，降低 500mV 大約可以增加 5%的容量，比如說本來的 3.5V 降低 3V，這 500mV 這個容量可以增加 5%，就1500mAh 的電池它其實大概就節省了 5%，75mAh 的容量，這個時候就是幫你省掉了 0.1 美金。 當然這個只是 0.1 美金，但隨著電池的老化而言降低 500mV 增加的容量就不是 5%了，而是 50%，這樣的話節省的大概是 1 美元，當然這是對 1500mAh 容量而言，隨著電池容量越來越大，因為現在的智能設備耗電量越來越高，所以會越來越大，那么這個節省的錢就越來越多。

5.3 由于監測不準而造成的損失

所以客戶在設計系統的時候不能光考慮到一個芯片帶來的多少成本，也應該考慮到它為你選用電池降低了多少成本，因為有了阻抗跟蹤技術這種比較準確的電量計算芯片，選用的電池容量就可以比較精確一點，不需要留有過多的余量，由于監測不準給客戶帶來的損失這在現實生活當中有很多。舉個例子來講，如果客戶每天進行充放電，3 個月時間大概是 90天，大概充電 90 次，電池內阻就要增加 1 倍，這個時候說 100 次電池就會老化 1 倍，如果你沒有采用阻抗跟蹤的電量監測計，那個時候電池的阻抗增加了 1 倍，會造成電量計算的誤差，由于它原有的電量計是按照比較小的內阻來計算電量的，實際的內阻已經增加了 1 倍了，那么它計算出來的內阻勢必會有比較大的誤差。它會造成一種什么情況呢？它會告訴你比較多的運行時間，但實際的運行時間比這小得多，結果造成突然關機，這個突然關機對系統的影響是很大的，我們的筆記本電腦突然關機可能造成系統的崩潰，那么用戶的感覺就是這個電池的使用時間大大的縮短了，而這個縮短可能不是由于電池的老化造成的。 電池的保質期可能為 1~2 年，那么這個地方才使用了 3 個月的時間，就出現了系統突然崩潰這種狀況，客戶可能會由此要求退貨，那么這樣反而會造成公司的經濟損失，所以這個是舉個例子來講，由于電量計不準造成經濟損失。

5.4 總結 a、就便攜式電子產品而言，準確的監測計對于獲得長運行時間的重要性絲毫不弱于降低設計方案的功耗及采用強健的電池 b、可用的電量監測計有很多種，它們采用了不同的監測方法和不同的折衷方案 所以就便攜式電池產品而言，準確的監測計對于獲得長運行時間的重要性并不亞于降低設計方案的功耗和采用強健的電池。因為你要強健的電池，你就要更多的 mAh，這個實際上是要增加成本的。那如果用準確的電量計，最大限度的算出系統可用的容量，這樣就可以用相當來講容量比較低的電池，這樣可以帶來成本上的節省。 可用的電量計方案有很多，它們一般來講都是基于電壓監測或者庫侖計數兩種方案的折中，很少用單純的電壓監測或者單純的用庫侖計數。我們 TI 的方法基本上是最好的結合了兩者的優點做出來的一個電量監測的方法。

編輯：黃飛

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