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。

?電池容量：

–百分比

-運行時間

–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

?可獲得用于反映電池健康狀況及安全診斷的其他數據

1.健康狀態

2.滿充電容量

電池電量監測技術重要是用來報告電池的容量，同時它一般也可以供應電池的健康狀態和電池的滿充容量。

概要介紹

?電池化學成分基本知識

?傳統的電池電量監測方法

–基于電壓

–庫侖計數

?阻抗跟蹤技術及其優勢

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。

隨著放電速率、溫度和老化情況改變關斷電壓可供應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或，但是由于到之后電壓會很快跌落，為了防止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，假如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，假如還是把作為電量為零的參考點，那就會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了，那么在老化或者低溫的情況下也是類似的，所以假如固定的以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，為了防止這種情況，電池的容量要根據溫度、放電速率、電池的老化程度進行調整。

鋰離子電池的大電流放電能力可通過使用較厚或較薄的活性材料層在很寬的范圍內進行調整。活性材料層較薄意味著電池擁有較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準18650圓柱形電池專為實現最大C速率放電而設計。然而，有些電池的額定規格則是專為10C放電而擬訂的（用于便攜式電動工具），甚至有的電池能達到60C速率放電（用于氣電混合動力汽車中的備用電源/再生制動）。

大電流放電能力在低于0℃的低溫條件下將嚴重降低，這是因為有機電解液的低導電率所致。電解液的導電率良莠不齊，所以應查閱制造商供應的有關低溫放電的數據，這一點很重要。

電池化學容量Qmax

有關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，紅色的曲線和的橫坐標交叉點，對應的值就是Qmax。

這個曲線是負載電流為的情況下測出來的，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，這里我們是用的的電流。那為何是呢？

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實際就是指假如電池的容量為2200mAh，電流為2200mA就是1C，所以概念上就是1小時內將1節電池完全放空所要的電流。因此2200mAh的電池對應的放電電流就是2200mA，那的放電電流對應的就是1100mA。

在便攜式應用中，有關電池功能性的重要問題是它能持續工作多長的時間？這是由活性材料的數量、它的比容量和電壓特性決定的。當電池放電時，其電壓逐步下降，直至達到設備可接受的最小電壓（被稱為放電終止電壓[EDV]）為止，也就是假如在該電壓下繼續放電將導致電池受損。通過對放電過程中的傳遞電荷進行積分，我們可以測量在達到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行了圖示。

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。

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數影響的，受到環境溫度、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次充放電之后會新增1倍，這是一個相關經驗值。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。所以電池內阻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。

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StateOfCharge，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DepthOfDischarge。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到現在已經放了多少電了，是表示這種程度的。

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的的數據，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。

阻抗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數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新增幾乎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新增對容量減少的影響還不是很大。但是放電速率的新增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新增的關系，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條曲線在于縱坐標交點的值基本相差了1倍，所以說100次循環之后，電池的內阻新增了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新增是很顯著的，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。

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，假如要測量它的阻抗，阻抗可以分為實部和虛部，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新增的，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數綜合影響造成的。但是直流阻抗是單調的新增的，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假如是1C電流放電，電池的端電壓和開路電壓壓差40mV低溫情況下，假如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。