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(lái)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(kù)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(kāi)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(guò)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。活性材料層較薄意味著電池?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(lái)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(lái)的容量，但實(shí)際情況下，工程技術(shù)上是用很小的電流來(lái)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(wèn)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(guò)對(duì)放電過(guò)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(guò)程中，這么多容量不是都能夠放得出來(lái)的，在實(shí)際的使用過(guò)程中，由于有一定的放電電流，所以放電曲線會(huì)比開(kāi)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。基本的公式可以用這樣一個(gè)公式來(lái)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(kāi)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(lái)得到阻抗，也就是用差分表的方法來(lái)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(shuō)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(guò)來(lái)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(shuō)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(shuō)的放電深度來(lái)表示，也就是DOD來(lái)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(lái)，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(lái)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(lái)，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(shuō)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(guò)來(lái)講，隨著頻率的升高，比如說(shuō)：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(lái)或者一層一層卷起來(lái)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(lái)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(shuō)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(kāi)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(lái)越大的。那么對(duì)電池電量監(jiān)測(cè)技術(shù)來(lái)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(kāi)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(lái)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(kāi)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(guò)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(wú)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(méi)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(lái)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(shuō)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。