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【鋰電池干貨】鋰電池充放電專業知識點及電量計算方法

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【鋰電池干貨】鋰電池充放電專業知識點及電量計算方法

發布日期:2021-07-23 作者:百耐信科技 點擊:

1. 鋰離子電池介紹

1.1 荷電狀態 (State-Of-Charge;SOC)

荷電狀態可定義為電池中可以用電能的狀態,通常情況下以百分比例來表示。由于可以用電能會因為充放電電流,溫度及老化現象而有不一樣,因此荷電狀態的定義也劃分為兩類:絕對荷電狀態(AbsoluteState-Of-Charge;ASOC)及相對荷電狀態(RelativeState-Of-Charge;RSOC)。通常情況下相對荷電狀態的范圍是0%-100%,而電池徹底充電時是100%,徹底放電時是0%。絕對荷電狀態則是一個當電池制造完成時,依據所設計的固定容量值所推算出來的的參考值。一個全新徹底充電電池的絕對荷電狀態是100%;而老化的電池即使徹底充電,在不一樣充放電情況中也無法到100%。

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下面的圖顯示不一樣放電率下電壓與電池電量的關系。放電率越高,電池電量越低。溫度低時,電池電量也會減少。

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以上圖為不一樣放電率及溫度下電壓與容量之關系


電池電量檢測數據信息跟電池本身特點,充放電條件,測試儀器本身精度等有關。同一個電池每次檢測數據信息不完全一致,通常情況下分容檢測電池電量時設置同樣檢測工步,循環測試,待電池數據信息基本平穩再取值。通常情況下設置0.5C進行充放電檢測電池電量,測試環境保持通風散熱,有條件可以在空調房環境下進行,本身電池測試時候發熱,減少外在溫度可確保設備壽命減少維修率及更換率,確保設備持續性運行。


1.2 Z高充電電壓 (Max Charging Voltage)

Z高電池充電電壓和電池的化學成分與特點有關。鋰電池的電池充電電壓一般是4.2V和4.35V,而若陰極、陽極材料不一樣電壓值也會各有不同。


1.3 完全充電 (Fully Charged)

當電池電壓與Z高電池充電電壓差小于100mV,且充電電流減少至C/10,電池可視作完全電池充電。電池特點不一樣,完全電池充電條件也各有不同。


下面的圖顯示為一典型性的鋰電池充電特點曲線。當電池電壓等于Z高電池充電電壓,且充電電流減少至C/10,電池即視作完全電池充電。

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1.4 Z低放電電壓 (Mini Discharging Voltage)

Z低放電電壓可以用截止放電電壓來定義,一般就是荷電狀態為0%時的電壓。此電壓值并不是一固定值,而是伴隨著負載、溫度、老化程度或其他而改變。

1.5 完全放電 (Fully Discharge)

當電池電壓小于或等于Z低放電電壓時,可稱為完全放電或者徹底放電。


1.6 充放電率 (C-Rate)

充放電率是充放電電流相對于電池容量的一種表示。比如,若用1C來放電1小時以后,理想的話,電池便會完全放電。不一樣充放電率會造成不一樣的可以用容量。一般,充放電率越大,可以用容量越小。


1.7 循環壽命

循環次數是當一個電池所經過完整充放電的次數,是可由實際上放電容量與設計容量來估算。當累積的放電容量等于設計容量時,則循環次數一次。一般在500次充放電循環后,完全電池充電的電池容量會下降10%~20%。

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以上圖為循環次數與電池容量的關系


1.8 自放電 (Self-Discharge)

所有電池的自放電都會伴隨著溫度上升而增加。自放電大多數并不是制造上的瑕疵,而是電池本身特點。其實制造過程中不當的處理也會造成自放電的增加。一般電池溫度每增加10°C,自放電率即倍增。鋰離子電池每個月自放電量約為1~2%,而各類鎳系電池則為每月10~15%自放電量。

以下圖為鋰電池自放電率在不一樣溫度下的表現

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以上圖為鋰電池自放電率在不同溫度下的表現


2. 電池電量計簡介

2.1 電量計功能簡介

電池管理可視作是電源管理的一部分。電池管理中,電量計是負責估算電池容量。其基本功能為監測電壓,電池充電/放電電流和電池溫度,并估算電池荷電狀態(SOC)及電池的完全電池充電容量(FCC)。有兩種典型性估算電池荷電狀態的方法:開路電壓法(OCV)和庫侖計量法。另一種方法是由RICHTEK所設計的動態電壓算法。


2.2 開路電壓法

用開路電壓法的電量計,其實現方法較容易,可憑借著開路電壓對應荷電狀態查表而得到。開路電壓的假設條件是電池休息約超過30分鐘時的電池端電壓。不一樣的負載,溫度,及電池老化情況下,電池電壓曲線也會有所不同。因此一個固定的開路電壓表無法完全代表荷電狀態;不能夠單靠查表來估計荷電狀態。換句話說,荷電狀態若只靠查表來估計,誤差可能會很大。


下面的圖顯示同樣的電池電壓各自在充放電之下,通過開路電壓法所查得的荷電狀態差別很大。

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以上圖為充、放電情況下的電池電壓


下面的圖獲知,放電時不一樣負載之下,荷電狀態的差別也是很大。因此大部分,開路電壓法只適合對荷電狀態準確性要求低的系統,像汽車使用鉛酸電池或ups電源等。

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以上圖為放電時不同負載之下的電池電壓


2.3 庫侖計量法

庫侖計量法的操作原理是在電池的充電/放電路徑上的連接一個檢測電阻。ADC量測在檢測電阻上的電壓,轉變成電池正在充電或放電的電流值。時實計數器(RTC)則提供把該電流值對時間作積分,進而獲知流過多少庫倫。

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以上圖為庫倫計量法基本工作方式


庫侖計量法可精確測算出充電或放電過程中時實的荷電狀態。通過充電庫侖計數器和放電庫侖計數器,它可測算剩余電容量(RM)及完全充電容量(FCC)。同時也可以用剩余電容量(RM)及完全充電容量(FCC)來測算出荷電狀態,即(SOC=RM/FCC)。此外,它還可預計剩余時間,如電力耗竭(TTE)和電力充滿(TTF)。

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以上圖為庫倫計量法的計算公式


關鍵有兩個因素造成庫倫計量法準確度偏差。第一是電流感測及ADC量測中偏移誤差的累積。盡管以目前的技術此量測的誤差還算小,但若沒有清除它的好方法,則此誤差會隨時間增加而增加。下面的圖顯示了在實際應用中,假如時間持續中的沒有任何的改正,則累積的誤差是無上限的。

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以上圖為庫倫計量法的累積誤差


為清除累積誤差,在正常情況下的電池操作中有三個可能可使用的時間點:充電結束(EOC),放電結束(EOD)和休息(Relax)。充電結束條件達到表示電池已充滿電且荷電狀態(SOC)應為100%。放電結束條件則表示電池已完全放電,且荷電狀態(SOC)應該為0%;它可以是一個絕對的電壓值或者是隨負載而改變。達到休息狀態時,則是電池旣沒有充電也沒有放電,而且保持這種狀態很長一段時間。若使用者想用電池休息狀態來作庫侖計量法的誤差改正。

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以上圖為清除庫侖計量法累積誤差的條件


導致庫倫計量法準確性偏差的第二主要原因是完全充電容量(FCC)誤差,它是由電池設計容量的值和電池真實的完全充電容量的差別。完全充電容量(FCC)會受到溫度,老化,負載等原因干擾。因此,完全充電容量的再學習和補償方法對庫侖計量法是十分關鍵重要的。下圖顯示了當完全充電容量被高估和被低估時,荷電狀態誤差的趨向現象。

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以上圖為完全充電容量被高估和被低估時,誤差的趨向


2.4動態電壓算法電量計

動態電壓算法電量計僅依據電池電壓就可以計算鋰電池的荷電狀態。此方法是依據電池電壓和電池的開路電壓之間的誤差,來估算荷電狀態的遞增量或遞減量。動態電壓的數據可以合理地仿真鋰電池的行為,從而確定荷電狀態SOC(%),但此方法并不可以估算電池容量值(mAh)。


它的計算方法是依據電池電壓和開路電壓之間的動態差別,憑借著使用迭代算法來計算每一次增加或減少的荷電狀態,以估算荷電狀態。相比于庫侖計量法電量計的解決方案,動態電壓算法電量計并不會隨時間和電流累積誤差。庫侖計量法電量計一般會由于電流感測誤差及電池自放電而導致荷電狀態估算不準確。即便電流感測誤差十分小,庫侖計數器卻會不斷累積誤差,而所累積的誤差僅有在完全充電或完全放電才可以清除。


動態電壓算法電量計僅由電壓數據來估算電池的荷電狀態;因為它并不是由電池的電流數據來估算,因此并不會累積誤差。若要提升荷電狀態的精確度,動態電壓算法要用實際的裝置,依據它在完全充電和完全放電的狀況下,由實際的電池電壓曲線來調整出一優化的算法的主要參數。


以上圖為動態電壓算法電量計和增益優化的表現


下面是動態電壓算法在不同放電速率條件下,荷電狀態的表現。由圖得知,它的荷電狀態精確度良好。無論是在C/2,C/4,C/7和C/10等的放電條件下,此方法整體的荷電狀態誤差都低于3%。

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以上為不同的放電速率條件下,動態電壓算法的荷電狀態的表現


下圖顯示在電池短充短放狀況下,荷電狀態的表現。荷電狀態誤差依然不大,且Z大誤差僅有3%。

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以上圖為在電池短充短放的狀況,動態電壓算法的荷電狀態的表現


相比于庫侖計量法電量計一般會由于電流感測誤差及電池自放電而導致荷電狀態的不準確的情形,動態電壓算法它并不會隨時間和電流累積誤差,這是一個大優點。由于沒有充/放電電流的數據,動態電壓算法在短期精確度上較差,且響應時間較慢。此外,它也無法估計完全充電容量。它在長期精確度上卻表現良好,由此電池電壓Z終會直接反應它的荷電狀態。






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關鍵詞:鋰電池充放電,電池充放電知識點,電池電量計量方法

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