鋰離子電池相關概念 鋰離子電池電量計的實現方法

由于工作中一直都有接觸到鋰離子電池的應用，也遇到過相關的電池問題，所以本文打算在閱讀參考相關技術文檔的基礎上，總結一下鋰離子電池電量計常見的一些實現方法原理，以加深對電池的理解。

鋰離子電池在當今的移動電子設備中使用非常廣泛，其具有能量密度高，沒有充放電記憶效應的優點，但是不能進行大電流充放電，且過充過放性能較差，長時間放置不用且不充電的話就會失效。

1. 鋰離子電池相關概念

1.1 電池化學容量

電池容量Qmax理論上是指電流趨近于零時，在電池達到放電終止電壓（EDV)之前，從充滿電的電池中所能放出來的電荷量。實際工程中，使用0.1C或者更小的電流來進行測定電池容量。

C是指電池的充放電率，1C是指1小時內將充滿電的電池完全放空所需要的的電流，或者是1小時內將放完電的電池完全充滿所需要的電流。例如4000mAh的電池對應的1C為4000mA，0.1C為400mA。

而電池在實際使用過程中，其容量是無法全部放出來的，因為實際使用時肯定存在一定的放電電流，而且電池本身存在內阻。因此，電池實際的可用容量Quse小于Qmax。根據圖1所示可知，電池端電壓（V）為電池的開路電壓（OCV）減去電池內阻的壓降（IR），因此電池的實際應用曲線低于電池開路曲線，在相同的終止電壓（EDV）前能釋放的容量也就越小。也很容易從中得知， 電流越大（負載越大），可用容量也越小 ，如圖2所示。因此， 隨著負載變化，電池可用容量也會發生變化。 在現實情況中，有時候可以看到電池容量由少變多，就是因為負載電流變小了。

圖1

圖2

1.2 電荷狀態

電荷狀態SOC（State-Of-Charge）是指電池的剩余容量除以電池化學容量得到的百分比，剩余容量是指電池從當前狀態放電到終止電壓前的電池容量，示意如圖2所示。

圖3

1.3 電池內阻

電池內阻受主要受環境溫度（T）、電荷狀態（SOC）、電池老化程度（Aging）的影響。

電荷狀態越低，放電越多，電池內阻越大。溫度越低，電池內阻越大。 經驗上有電池內阻在100次充放電后會增加一倍。同一批電池之間的偏差大概在10~15%左右，但是不同品牌的電池內阻差異會較大。

電池內阻的變化反映到可用容量也會發生變化，如圖4所示，溫度越低，電池內阻越大，可用容量越小。

圖4

另外，電池老化也會對電池容量Qmax發生影響，雖然不如對阻抗影響那么顯著，但是100次充放電后也會有3~5%的下降，如圖5所示。

圖5

1.4 電池瞬態響應

電池在正常放電時，如果突然將負載移除，電池電壓并不能立刻回到電流為0時的電壓，而是慢慢上升，花費很長時間才能上升到穩定電壓。如果電池SOC較低，電池內阻就更大，就需要花費更長時間才能將電壓上升穩定下來，如圖6所示。

圖6

1.5 電池自放電

電池的自放電會隨著溫度升高而增加，這是電池自身的特性。電池溫度每增加10℃，自放電率就會倍增。鋰離子電池每個月的自放電量約為1~2%，如圖7所示。如果鋰離子電池長時間放置不用且不充電的話就會失效，電池提早報廢。

圖7

2. 電池電量計實現方法

2.1 開路電壓法

該方法的原理是根據電池開路電壓，估算電池剩余電量。該方法是測量電池開路電壓，但是實際應用中基本都是需要在電池運行中獲取電池剩余容量，此時只能測試得到電池的端電壓。

從前述可知，電池端電壓V=OCV-IR，電流I和電池內阻R越大，電池端電壓V和開路電壓OCV之間的差值就越大，估算得到的電池電荷狀態和電池容量誤差也越大。也就是說電阻電池內阻和負載電流都會影響測量精度，且電池內阻會隨著上述幾個因素的影響，離散性很大，因此補償計算非常困難。而且不同品牌的電池，開路電壓與剩余容量之間的關系也不盡相同。當然，其優點就是不需要完全充放電就能得到電池的當前容量。

2.2 庫倫量法

該方法的原理是在電池的充放電回路中連接一個電流檢測電阻，示意如圖8所示，其測量思想是先得到電池的滿充電最大容量，然后將放電過程中的放電電流對時間進行積分，得到放電容量，滿充容量減去放電容量就能得到剩余容量。

圖8

但是該方法需要完整的放電周期，以學習確定電池的最大容量。理論上是在電池完全放電時更新，但是實際應用中由于需要執行關機等一些操作，需要為此預留一些電池容量。因此，更新通常是在電池電量還剩余3~7%時進行，以7%為例，此時意味著電池已經放掉了93%的容量，同時將放電電流對時間進行積分可以得到放掉的容量mAh，除以93%就得到了電池的滿充容量。

因此，確定滿充容量的關鍵點就是如何確定電池電荷狀態SOC已經達到了7%，一般是通過電池端電壓確定，而該電壓又和當時的電流、溫度、阻抗等因素相關，我們可將該電壓定義為上文提到的EDV，終止放電電壓，EDV=OCV-IR。一般在溫度、電流恒定，且電池內阻相差不大的情況下，該電壓值也基本恒定。但是實際應用中，負載電流、溫度等均可能發生變化，那么SOC為7%時的EDV也就不同了，所以需要進行補償，補償算法都集成在了芯片里面，但是這些算法也不能完全反應阻抗的老化影響。

庫倫量法是對電流進行積分，但是電池內部消耗的電流其無法檢測，因此也就無法準確評估該電流的影響。

綜上所述可知，在沒有負載時使用開路電壓法測量結果較為準確，在有負載時使用庫倫量法較為準確，兩者互補使用能得到相對較好的結果。

然而，這兩種方法都只能計算電池剩余多少容量，卻無法盡量將其都釋放出來進行使用。因為這兩種方法在實際應用中均無法確定真正的終止電壓，很多時候都是提前關閉系統運行。因此，電池真正剩余能夠使用的時間無法很好的估算出來。

2.3 動態電壓法

立锜科技（RICHTEK）的動態電壓算法是根據電池端電壓和開路電壓之間的差值，來估算電池的電荷狀態SOC，但此算法并不能估計電池容量值（mAh）。

由于該算法不需要充放電電流的信息，因此其短期精確度較差，且反應時間較慢，但是長期精確度良好，因為電池電壓最終會直接反應它的電荷狀態。

2.4 阻抗跟蹤法

從上述的開路電壓法和庫倫量法原理可以得知，電池內阻是影響電池容量估算的關鍵因素。開路電壓法如果能知道電池內阻，就能得到開路電壓，從而準確的估算電池容量；庫倫量法如果能知道電池內阻，就能知道剩余7%容量時的電壓EDV，從而準確更新電池最大容量。

TI的阻抗跟蹤算法是一種預測算法，其相比于前述幾種算法主要優勢是，其在電池的整個壽命周期內，測量電池剩余容量和剩余使用時間方面更加出色。其實現是思路是這樣的：

(1) 確定OCV-SOC曲線

不管什么品牌的電池都存在一種現象規律， 在相同的溫度下，開路電壓相對于電荷狀態的曲線是基本不變的，偏差很小 ，如圖9所示。因此，在確定了這個曲線后，只要知道開路電壓，就能知道電荷狀態；反之亦然。

圖9

(2) 確定電池內阻R

根據公式V=OCV-IR，可得電池內阻R=(OCV-V)/I，根據測得的負載電流I、電池端電壓V，以及不同SOC對應的OCV，可以計算得到在一定負載電流下的電池內阻R(SOC)。由于電池內阻R可以在任意情況下（不同的溫度、SOC、老化）實際測試計算得到，就不必考慮補償了。

(3) 確定電池滿充容量

分別測試電池在兩個不同空閑狀態（沒有負載時）下的穩定開路電壓OCV1和OCV2，根據第一步得到的OCV-SOC曲線，可以得到對應的電荷狀態SOC1和SOC2。同時將這兩個狀態之間的放電電流對時間進行積分得到容量△Q，電池的滿充容量Qmax=△Q/(SOC1-SOC2)。從中可以看出，無需完整的放電周期就能確定電池的最大容量。

(4)確定真正剩余能夠使用的容量

確定了電池內阻后，記當前的電荷狀態為SOC3，假設負載電流不變，就可以得到該負載電流下的對應不同SOC的電池端電壓曲線。當電池端電壓達到電池終止放電電壓時，反推得到此時的開路電壓OCV，進一步得到對應的電荷狀態SOC4，然后就可以確定電池在該負載電流下的剩余容量為(SOC3-SOC4)Qmax。為了預留一部分容量（假設為Q）用于關機等操作，可以在此剩余容量基礎上再減去Q為[(SOC3-SOC4)Qmax-Q]，相應地就能計算出該負載電流下真正剩余能夠使用的時間。

但是阻抗跟蹤法讓人比較疑惑的一點是這個電池的終止放電電壓是如何確定的，因為不同負載電流狀態下這個值應該是不同的。本人在TI的相關文檔中也沒查找到相應的資料說明，如有了解的，可以告知一下。