12
11月

锂电池充放电理论与电量计算方法设计

1. Introduction to Lithium Ion Battery

1.1 荷电状态 (SOC)

未标题-13

充电状态可以定义为电池中可用电能的状态，通常以百分比表示。由于可用电能随充放电电流、温度和老化现象而变化，因此荷电状态的定义也分为两种：绝对荷电状态（ASOC）和相对荷电状态（Relative State – 充电状态；ASOC) 充电状态； RSOC)。通常充电范围的相对状态为 0%-100%，而电池在完全充电时为 100%，在完全放电时为 0%。绝对荷电状态是电池制造时根据设计的固定容量值计算出的参考值。全新充满电的电池的绝对荷电状态为 100%；老化的电池即使充满电，在不同的充放电条件下也不能达到100%。

下图显示了不同放电倍率下电压与电池容量的关系。放电率越高，电池容量越低。当温度较低时，电池容量也会下降。

图1。

不同放电倍率和温度下电压与容量的关系

1.2 Max Charging Voltage

The maximum charging voltage is related to the chemical composition and characteristics of the battery. The charging voltage of lithium battery is usually 4.2V and 4.35V, and the voltage value will be different if the cathode and anode materials are different.

1.3 充满电

当电池电压与最高充电电压之差小于100mV，充电电流降至C/10时，可认为电池已充满电。电池特性不同，充满电的条件也不同。

下图为典型的锂电池充电特性曲线。当电池电压等于最高充电电压且充电电流降至C/10时，则认为电池已充满电。

图2 锂电池充电特性曲线

1.4 小放电电压

The minimum discharge voltage can be defined by the cut-off discharge voltage, which is usually the voltage when the state of charge is 0%. This voltage value is not a fixed value, but changes with load, temperature, aging degree, or other factors.

1.5 完全放电

当电池电压小于或等于最小放电电压时，可称为完全放电。

1.6 充放电倍率（C-Rate）

充放电率是充放电电流相对于电池容量的表达式。例如，如果使用1C放电一小时，理想情况下，电池将完全放电。不同的充放电率会导致不同的可用容量。一般充放电倍率越大，可用容量越小。

1.7 循环寿命

循环次数是电池完全充放电的次数，可根据实际放电容量和设计容量估算。每当累积放电容量等于设计容量时，循环次数为一次。通常经过500次充放电循环后，充满电的电池容量会下降10%~20%。

Figure 3. The relationship between the number of cycles and battery capacity

1.8 自放电

所有电池的自放电都会随着温度的升高而增加。自放电基本上不是制造缺陷，而是电池本身的特性。但是，制造过程中处理不当也会导致自放电增加。一般来说，电池温度每升高 10°C，自放电率就会翻倍。锂离子电池的每月自放电量约为1~2%，而各种镍基电池的每月自放电量约为10-15%。

图4 不同温度下锂电池自放电率的表现

2. 电池电量计介绍

2.1 电量计功能介绍

电池管理可视为电源管理的一部分。在电池管理中，电量计负责估计电池容量。其基本功能是监测电压、充放电电流和电池温度，估计电池荷电状态（SOC）和电池满充电容量（FCC）。有两种典型的估计电池荷电状态的方法：开路电压法（OCV）和库仑法。另一种方法是RICHTEK设计的动态电压算法。

2.2 开路电压法

采用开路电压法的电表比较容易实现，可以通过查表与开路电压的荷电状态对应。开路电压的假设条件是电池静止约30分钟时的电池端电压。

在不同的负载、温度和电池老化情况下，电池电压曲线会有所不同。因此，固定式开路电压表不能完全代表荷电状态；单靠查表无法估计充电状态。换句话说，如果仅通过查表来估计荷电状态，误差会非常大。

下图显示，同样的电池电压在充放电状态下，开路电压法发现的荷电状态有很大的不同。

图 5. 充电和放电时的电池电压

下图显示了放电过程中不同负载下的荷电状态变化很大。所以基本上，开路电压法只适用于对荷电状态精度要求不高的系统，如使用铅酸电池或汽车不间断电源。

图 6 放电时不同负载下的电池电压

2.3 库仑测量法

库仑测量法的工作原理是在电池的充放电路径上连接一个检测电阻。 ADC 测量检测电阻上的电压，并将其转换为正在充电或放电的电池的电流值。实时计数器 (RTC) 提供当前值与时间的积分，从而知道流过多少库仑。

图 7. 库仑测量法的基本工作方法

库仑测量法可以准确计算充电或放电过程中的实时荷电状态。配合充电库仑计和放电库仑计，可以计算剩余容量（RM）和满充电容量（FCC）。同时，剩余容量（RM）和满充电容量（FCC）也可以用来计算荷电状态，即（SOC=RM/FCC）。此外，它还可以估计剩余时间，例如电量耗尽（TTE）和满电量（TTF）。

Figure 8. Calculation formula of Coulomb measurement method

导致库仑测量方法精度出现偏差的主要因素有两个。第一个是电流检测和 ADC 测量中失调误差的累积。虽然用现在的技术测量误差还很小，但如果没有好的办法消除它，误差会随着时间的推移而增加。下图显示，在实际应用中，如果持续时间不进行修正，则累积误差是无限的。

图 9. 库仑测量方法的累积误差

In order to eliminate the accumulated error, there are three possible useable time points in normal battery operation: end of charge (EOC), end of discharge (EOD) and rest (Relax). When the charging end condition is reached, it means that the battery is fully charged and the state of charge (SOC) should be 100%. The discharge end condition means that the battery has been completely discharged and the state of charge (SOC) should be 0%; it can be an absolute voltage value or change with the load. When it reaches the resting state, the battery is neither charged nor discharged, and it remains in this state for a long time. If the user wants to use the rest state of the battery to correct the error of the coulomb measurement method, an open-circuit voltmeter must be used at this time. The figure below shows that the state of charge error can be corrected in the above state.

图 10. 消除库仑测量法累积误差的条件

造成库仑测量法精度偏差的第二大因素是满充电容量（FCC）误差，即电池设计容量值与电池真实满充电容量之间的差值。满电容量（FCC）会受温度、老化、负载等因素影响。因此，满充电容量的重新学习和补偿方法对于库仑测量方法非常重要。下图显示了满充电容量高估和低估时充电状态误差的趋势现象。

图 11. 满充电量高估和低估时的误差趋势

2.4 动态电压算法电量计

动态电压算法电量计可以仅根据电池电压来计算锂电池的荷电状态。这种方法是根据电池电压与电池开路电压的差值来估计荷电状态的增减。动态电压信息可以有效模拟锂电池的行为以确定荷电状态SOC（%），但这种方法无法估计电池容量值（mAh）。

其计算方法是根据电池电压与开路电压的动态差值，通过迭代算法计算每次增加或减少荷电状态来估计荷电状态。与库仑计量电量计的解决方案相比，动态电压算法电量计不会随着时间和电流累积误差。由于电流感测错误和电池自放电，库仑计量电量计通常会导致对充电状态的估计不准确。即使电流感应误差很小，库仑计数器也会不断累积误差，而累积误差只有在充满电或完全放电后才能消除。

动态电压算法电量计仅通过电压信息来估计电池的荷电状态；因为不是根据电池的当前信息来估计的，所以不会累积误差。为了提高荷电状态的准确性，动态电压算法需要使用实际设备，根据实际电池充满电和完全放电时的电压曲线调整优化算法的参数。