深度剖析锂电池电量监测原理1

什么是电池电量监测技术

含义：电池电量监测是一种用于在所有的系统运行及空闲情况下预测电池容量的技术。

****电池容量：

–百分比

• 运行时间

–至电量耗尽/充满的时间

–毫安时（mAh）

–瓦时（Wh）

–通话时间、限制时间等

****可获得用于反映电池健康状况及安全诊断的其他数据

1.健康状态

2.满充电容量

电池电量监测技术主要是用来报告电池的容量，同时它一般也可以提供电池的健康状态和电池的满充容量。

概要介绍

****电池化学成分基本知识

****传统的电池电量监测方法

–基于电压

–库仑计数

****阻抗跟踪技术及其优势

第一部分：电池化学成分基本知识

首先给大家介绍的是一些跟电池电量计量有关的一些电池化学成分的知识。

下图为：锂离子电池放电曲线：最优运行时间

这里的三张图是在不同情况下测到的锂离子电池放电曲线图。随着放电速率、温度和老化情况改变关断电压可提供尽可能长的运行时间。从这些图中我们首先可以看到，在室温小电流情况下电池的电压在之后会很快的发生跌落，虽然系统可以支持的最低电压可以到或，但是由于到之后电压会很快跌落。

为了避免突然关机造成的数据丢失或者加载文件的电路突然中断，客户的应用系统通常的倾向于把电池的最低容量为零的参考点设置为，如果在低温或者大电流的情况下，或者在电池非常老化的情况下，如果还是把作为电量为零的参考点，那就会造成电池的可用容量大大的减少，大家可以从这些曲线上可以看到，在大电流情况下，基本上一开始放电的曲线就已经快到了，那么在老化或者低温的情况下也是类似的，所以如果固定的以作为容量为零的参考点，那在低温或者大电流情况，或者是接近老化的情况下，会造成所报告容量的缩减，为了避免这种情况，电池的容量需要根据温度、放电速率、电池的老化程度进行调整。

锂离子电池的大电流放电能力可通过使用较厚或较薄的活性材料层在很宽的范围内进行调整。活性材料层较薄意味着电池拥有较高的大电流放电能力，但能量密度则较低。笔记本电脑中使用的标准18650圆柱形电池专为实现最大C速率放电而设计。然而，有些电池的额定规格则是专为10C放电而拟订的（用于便携式电动工具），甚至有的电池能达到60C速率放电（用于气电混合动力汽车中的备用电源/再生制动）。

大电流放电能力在低于0℃的低温条件下将严重降低，这是因为有机电解液的低导电率所致。电解液的导电率良莠不齐，所以应查阅制造商提供的有关低温放电的数据，这一点很重要。

电池化学容量Qmax

关于电池电量监测技术里面，有一个比较重要的概念，就是电池的化学容量Qmax。

在这张图里面，红色的曲线和的横坐标交叉点，对应的值就是Qmax。

这个曲线是负载电流为的情况下测出来的，因为要测得Qmax必须保证负载电流足够的小，理论上Qmax是指电流趋近零时所能放出来的容量，但实际情况下，工程技术上是用很小的电流来做Qmax的测定，这里我们是用的的电流。那为什么是呢？

C这个概念在电池电量管理里面就是指电池的放电速率，1C实际就是指如果电池的容量为2200mAh，电流为2200mA就是1C，所以概念上就是1小时内将1节电池完全放空所需要的电流。因此2200mAh的电池对应的放电电流就是2200mA，那的放电电流对应的就是1100mA。

在这张图里面所提到的EDV指的是系统或者电池本身能够支持的最低电压。

在便携式应用中，有关电池功能性的主要问题是“它能持续工作多长的时间”？这是由活性材料的数量、它的比容量和电压特性决定的。当电池放电时，其电压逐步下降，直至达到设备可接受的最小电压（被称为“放电终止电压 [EDV]”）为止，也就是如果在该电压下继续放电将导致电池受损。通过对放电过程中的传递电荷进行积分，我们可以测量在达到 EDV 之前可以放电的容量 Qmax。低速率锂离子电池放电期间的电压曲线在上面进行了图示。

可用容量Quse

还有一个对应的容量就是可用容量。因为刚才讲的是电池的化学容量，电池的化学容量是在电流很小的时候测得的容量，它更多的是由电池本身的特性决定的。那实际在电池的使用过程中，这么多容量不是都能够放得出来的，在实际的使用过程中，由于有一定的放电电流，所以放电曲线会比开路电压曲线低，大家可以看到这条曲线，由于存在电池的内阻，实际的放电曲线是蓝色的这条曲线，由蓝色的曲线和红色的曲线对应的值得到Quse，Quse实际指的是电池的可用容量，在这张曲线中我们发现，由于电池内阻的存在使这个曲线的位置往下移了，那么放电的时候会更早的达到放电终止电压，也就是更早的达到EDV，所以Quse一般是小于Qmax。

从这个曲线中我们也可以看出，电流越大，Quse会越小.。在这曲线当中，I*Rbat就是指的由于内阻的存在，造成电池端电压的下降。

电池电阻

电池的内阻对电池电压的监测是有很重要的影响的。基本的公式可以用这样一个公式来表示电池的内阻对电池电量监测的影响：

V=Vocv-I*Rbat

这个公式里面Vocv指的是电池的开路电压，I是指充放电电流，Rbat是指的电池的内阻，V是指电池的端电压。

电池的阻抗实际是受很多因数影响的，受到环境温度、电池的容量百分比、电池的老化程度的影响。它是这些变量中一个非常复杂的函数。现在要得到这个函数的具体表达式是非常困难的，所以实际经常用实测的方法来得到阻抗，也就是用差分表的方法来得到阻抗。那么这个电池的内阻通常在100次充放电之后会增加1倍，这是一个经验值。同一批电池之间的偏差控制得比较好的大概可以控制在10~15%左右，不同电池的制造商生产的电池内阻的偏差往往会更大。所以电池内阻是在生产当中很难把它的偏差控制得小的一个变量，电池的内阻是一个非常难控制的变量，也是非常重要的一个变量。

电荷状态（SOC）

刚才讲到的是SOC，SOC实际是指的容量百分比，也就是大家经常在使用手机或者平板电脑的时候屏幕角上的容量百分比，容量百分比的意义是说电池在某种状态下到放空之间还剩余多少电量。英文的缩写叫SOC，也就是State Of Charge，所以也可以直接翻译成电荷状态，因为Charge就是指的电荷的意思。那么显然对一个充满了的电池电压百分比，或者电荷状态，就等于1；对一个完全放空的电池电压百分比就等于0。所以电压百分比的公式SOC等于这条曲线上的Q（状态A时对应的剩余容量）除以电池的化学容量Qmax。

跟电量百分比对应的一个概念是DOD，DOD指的是放电的深度，英文是Depth Of Discharge。那显然在充电百分比或者容量百分比为1的时候，那么放电深度应该是0；反过来容量百分比为0的时候，放电深度就应该是1。

我们在TI的很多文档当中会碰到DOD这个概念，DOD实际上和SOC是一个相对的概念，它们表示的实际上是同一个意思，就是电池里面剩余的电量是多少，或者说这个电池从满充状态到现在已经放了多少电了，是表示这种程度的。

抗阻与温度和DOD有关

那么电池的阻抗受影响比较大的有温度和容量百分比，也可以用刚才所说的放电深度来表示，也就是DOD来表示。从这张曲线我们可以看出一些基本的趋势，从图中可以看出放电百分比越大、放电深度越大，那么电池的内阻就越大，因为这条曲线上纵坐标指的是电池内阻，它的单位是欧姆；横坐标指的是放电百分比，也就是DOD。不同颜色的曲线表示的是不同温度下测的的数据，显然在同一个温度下面，放电百分比越大，也就是放电越深，那它的电池内阻就越大。那么我们在这张图上还可以看到，在同样的DOD下，也就是同样的容量百分比下，温度越低，电池的内阻也相应的越大。这是一个基本的概念，这是大家要对电池所形成的一个基本的认识。

阻抗和容量随老化而改变

电池的内阻除了和温度、容量百分比有关，另外一个影响比较大的因数就是电池的使用年限，也就是电池的老化程度。一般电池在100次重放电之后，化学容量会减少3~5%，这个容量减少还不是很显著，但是它的阻抗变化就比较显著了，在100次充放电之后阻抗可以增加几乎1倍。大家可以从这2张图中看出来，左边的这张图是第1次和第100次的放电曲线画在一起的一张图，从这张图中可以看出来放电次数的增加对容量减少的影响还不是很大。但是放电速率的增加对内阻的影响是很大的，右边这张图指的是电池的内阻和放电次数增加的关系，这里面有很多条曲线，这张图的横坐标是测电池内阻时所用的频率，纵坐标是指电池的内阻。

这张图中我们可以看出来，在频率很低的情况下，最下面的那条曲线是第1次在不同频率下测得的一条曲线，最上面的那条曲线是第100次在不同频率下测得的电池内阻的曲线，这2条曲线在于纵坐标交点的值基本相差了1倍，所以说100次循环之后，电池的内阻增加了1倍。这里的内阻横坐标用的是频率，表示在频率很低的情况下，内阻的变化随着循环次数的增加是很显著的，但是反过来讲，随着频率的升高，比如说：测试负载的变化频率升高到1KHZ的时候，内阻的变化基本可以忽略不计了，大家可以看到这么多曲线基本都汇聚到同一点去了。那么实际上对我们电池电量监测影响大的是什么样的阻抗呢？

是在频率比较低或者是直流情况下的阻抗，所以我们应该看右边这张图曲线和纵坐标的2个交点，从这个交点上我们可以看出，循环次数对电池的直流内阻影响。

新电池的阻抗差异

这张图表现的是新电池阻抗的差异。电池的工艺结构上是一层一层叠起来或者一层一层卷起来的，所以电池正负极之间从外部看上去，可以看到有电容的特性，也有电阻的特性，也有电感的特性。所以整个电池来讲，如果要测量它的阻抗，阻抗可以分为实部和虚部，在这张图中，我们用一个交变的负载去测定电池的内阻，这个电池的变化频率，也就是负载电流的变化频率，是从1KHZ变到1mHZ，1KHZ的概念大家经常接触到，就是1秒钟变化1000次；1mHZ就是1000秒变化1次，这个变化频率就相当缓慢了，也就是说测的其实是一个直流的阻抗。

在这2张图里面，大家可以看到，直流阻抗是随着频率的降低单调的线性增加的，但是交流阻抗它有一个变化的趋势，一开始是小，后续慢慢的变大，然后又变小，最后又变大，这是由于电池内部存在电容和电感这些因数综合影响造成的。但是直流阻抗是单调的增加的，随着频率的降低，直流阻抗是越来越大的。那么对电池电量监测技术来讲，我们关心的是1mHZ时的直流阻抗，从这张图中我们可以看到，1mHZ情况下，电池阻抗的偏差还是有15%左右，这个15%左右的阻抗偏差会造成在如果是1C电流放电，电池的端电压和开路电压压差40mV低温情况下，如果你使用的算法是根据电压来判断容量，大概会引起26%左右的容量误差。

电池剩余容量（RM）

下面介绍的是电池的剩余容量。剩余容量是指当前状态放到EDV的电池容量，EDV也就是终止放电电压。图中当前状态A在一个给定的电流下进行放电，放电到的时候，对应的剩余容量从图中标出的就是RM1。那如果在状态A的情况下，同比较大的电流放电，这个时候这个曲线的位置会比开路电压更低一点，也会比刚才的小电流放电的RM1对应的位置更低一点，那这个时候得到的剩余容量是RM2。RM2和RM1对应的放电曲线它们的区别在于使用的放电电流是不一样的，放电电流越大，曲线的位置越低，剩余容量就越小，所以电池的剩余容量是与放电速率有关的，不同的电流下面电池的剩余容量是不一样的。有的用户在电池的实际使用过程中在放电的情况下，会发现电池的容量由少变多，他感到不可理解，实际这里可以解释一下，这种情况是由于放电电流的变化造成的，当我们看到电池容量由少变多的情况，这个通常是由于放电电流突然变小造成的，因为在不同的电流下电池可以放出的容量是不一样的，当放电电流变小的时候，它可以放出的容量是可以增加的。

电池化学成分概要

l Qmax = 电池化学容量 (无负载)

l Quse = 可用容量 (与负载有关)

l 电池电阻和负载产生 I-R 压降

l SOC = 电荷状态 (%，取决于 OCV)

l RM = 剩余容量 (取决于负载)

l 电池老化会影响阻抗和容量

我们现在简单的回顾一下刚才介绍的概念。

Qmax是指的电池的化学容量。这个容量的值是和负载没有关系的。它是指在极小的负载电流情况下，电池能够放出了的容量，通常它的单位是用mAh来表示的。

Quse是指电池的可用容量。这个容量是和负载有关的，不同负载的情况下，电池的可用容量是不一样的，负载电流越大，电池的可用容量越小。

为什么Quse和Qmax会造成这样的区别呢？这主要是由于电池的内阻和负载在电池的电动势和端电压直接产生了一个压降，还有一个概念就是电池的容量百分比，或者是说电荷状态，它的单位是%，这个%实际上就是电池的剩余容量除以电池的化学容量得到的。

剩余容量叫RM，RM的大小也是取决于负载的，负载越大，在同一个状态下剩余容量就越小。

还有一个概念就是电池的老化会影响到电池的阻抗和容量。老化对阻抗的影响比较明显，100个周期之后阻抗会增加1倍。老化对容量的影响不像阻抗这么明显，但是100个周期之后会有3~5%的跌落。