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【锂电池干货】锂电池充放电专业知识点及电量计算方法

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【锂电池干货】锂电池充放电专业知识点及电量计算方法

发布日期:2021-07-23 作者:百耐信科技 点击:

1. 锂离子电池介绍

1.1 荷电状态 (State-Of-Charge;SOC)

荷电状态可定义为电池中可以用电能的状态,通常情况下以百分比例来表示。由于可以用电能会因为充放电电流,温度及老化现象而有不一样,因此荷电状态的定义也划分为两类:绝对荷电状态(AbsoluteState-Of-Charge;ASOC)及相对荷电状态(RelativeState-Of-Charge;RSOC)。通常情况下相对荷电状态的范围是0%-100%,而电池彻底充电时是100%,彻底放电时是0%。绝对荷电状态则是一个当电池制造完成时,依据所设计的固定容量值所推算出来的的参考值。一个全新彻底充电电池的绝对荷电状态是100%;而老化的电池即使彻底充电,在不一样充放电情况中也无法到100%。

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下面的图显示不一样放电率下电压与电池电量的关系。放电率越高,电池电量越低。温度低时,电池电量也会减少。

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以上图为不一样放电率及温度下电压与容量之关系


电池电量检测数据信息跟电池本身特点,充放电条件,测试仪器本身精度等有关。同一个电池每次检测数据信息不完全一致,通常情况下分容检测电池电量时设置同样检测工步,循环测试,待电池数据信息基本平稳再取值。通常情况下设置0.5C进行充放电检测电池电量,测试环境保持通风散热,有条件可以在空调房环境下进行,本身电池测试时候发热,减少外在温度可确保设备寿命减少维修率及更换率,确保设备持续性运行。


1.2 最高充电电压 (Max Charging Voltage)

最高电池充电电压和电池的化学成分与特点有关。锂电池的电池充电电压一般是4.2V和4.35V,而若阴极、阳极材料不一样电压值也会各有不同。


1.3 完全充电 (Fully Charged)

当电池电压与最高电池充电电压差小于100mV,且充电电流减少至C/10,电池可视作完全电池充电。电池特点不一样,完全电池充电条件也各有不同。


下面的图显示为一典型性的锂电池充电特点曲线。当电池电压等于最高电池充电电压,且充电电流减少至C/10,电池即视作完全电池充电。

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1.4 最低放电电压 (Mini Discharging Voltage)

最低放电电压可以用截止放电电压来定义,一般就是荷电状态为0%时的电压。此电压值并不是一固定值,而是伴随着负载、温度、老化程度或其他而改变。

1.5 完全放电 (Fully Discharge)

当电池电压小于或等于最低放电电压时,可称为完全放电或者彻底放电。


1.6 充放电率 (C-Rate)

充放电率是充放电电流相对于电池容量的一种表示。比如,若用1C来放电1小时以后,理想的话,电池便会完全放电。不一样充放电率会造成不一样的可以用容量。一般,充放电率越大,可以用容量越小。


1.7 循环寿命

循环次数是当一个电池所经过完整充放电的次数,是可由实际上放电容量与设计容量来估算。当累积的放电容量等于设计容量时,则循环次数一次。一般在500次充放电循环后,完全电池充电的电池容量会下降10%~20%。

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以上图为循环次数与电池容量的关系


1.8 自放电 (Self-Discharge)

所有电池的自放电都会伴随着温度上升而增加。自放电大多数并不是制造上的瑕疵,而是电池本身特点。其实制造过程中不当的处理也会造成自放电的增加。一般电池温度每增加10°C,自放电率即倍增。锂离子电池每个月自放电量约为1~2%,而各类镍系电池则为每月10~15%自放电量。

以下图为锂电池自放电率在不一样温度下的表现

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以上图为锂电池自放电率在不同温度下的表现


2. 电池电量计简介

2.1 电量计功能简介

电池管理可视作是电源管理的一部分。电池管理中,电量计是负责估算电池容量。其基本功能为监测电压,电池充电/放电电流和电池温度,并估算电池荷电状态(SOC)及电池的完全电池充电容量(FCC)。有两种典型性估算电池荷电状态的方法:开路电压法(OCV)和库仑计量法。另一种方法是由RICHTEK所设计的动态电压算法。


2.2 开路电压法

用开路电压法的电量计,其实现方法较容易,可凭借着开路电压对应荷电状态查表而得到。开路电压的假设条件是电池休息约超过30分钟时的电池端电压。不一样的负载,温度,及电池老化情况下,电池电压曲线也会有所不同。因此一个固定的开路电压表无法完全代表荷电状态;不能够单靠查表来估计荷电状态。换句话说,荷电状态若只靠查表来估计,误差可能会很大。


下面的图显示同样的电池电压各自在充放电之下,通过开路电压法所查得的荷电状态差别很大。

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以上图为充、放电情况下的电池电压


下面的图获知,放电时不一样负载之下,荷电状态的差别也是很大。因此大部分,开路电压法只适合对荷电状态准确性要求低的系统,像汽车使用铅酸电池或ups电源等。

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以上图为放电时不同负载之下的电池电压


2.3 库仑计量法

库仑计量法的操作原理是在电池的充电/放电路径上的连接一个检测电阻。ADC量测在检测电阻上的电压,转变成电池正在充电或放电的电流值。时实计数器(RTC)则提供把该电流值对时间作积分,进而获知流过多少库伦。

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以上图为库伦计量法基本工作方式


库仑计量法可精确测算出充电或放电过程中时实的荷电状态。通过充电库仑计数器和放电库仑计数器,它可测算剩余电容量(RM)及完全充电容量(FCC)。同时也可以用剩余电容量(RM)及完全充电容量(FCC)来测算出荷电状态,即(SOC=RM/FCC)。此外,它还可预计剩余时间,如电力耗竭(TTE)和电力充满(TTF)。

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以上图为库伦计量法的计算公式


关键有两个因素造成库伦计量法准确度偏差。第一是电流感测及ADC量测中偏移误差的累积。尽管以目前的技术此量测的误差还算小,但若没有清除它的好方法,则此误差会随时间增加而增加。下面的图显示了在实际应用中,假如时间持续中的没有任何的改正,则累积的误差是无上限的。

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以上图为库伦计量法的累积误差


为清除累积误差,在正常情况下的电池操作中有三个可能可使用的时间点:充电结束(EOC),放电结束(EOD)和休息(Relax)。充电结束条件达到表示电池已充满电且荷电状态(SOC)应为100%。放电结束条件则表示电池已完全放电,且荷电状态(SOC)应该为0%;它可以是一个绝对的电压值或者是随负载而改变。达到休息状态时,则是电池旣没有充电也没有放电,而且保持这种状态很长一段时间。若使用者想用电池休息状态来作库仑计量法的误差改正。

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以上图为清除库仑计量法累积误差的条件


导致库伦计量法准确性偏差的第二主要原因是完全充电容量(FCC)误差,它是由电池设计容量的值和电池真实的完全充电容量的差别。完全充电容量(FCC)会受到温度,老化,负载等原因干扰。因此,完全充电容量的再学习和补偿方法对库仑计量法是十分关键重要的。下图显示了当完全充电容量被高估和被低估时,荷电状态误差的趋向现象。

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以上图为完全充电容量被高估和被低估时,误差的趋向


2.4动态电压算法电量计

动态电压算法电量计仅依据电池电压就可以计算锂电池的荷电状态。此方法是依据电池电压和电池的开路电压之间的误差,来估算荷电状态的递增量或递减量。动态电压的数据可以合理地仿真锂电池的行为,从而确定荷电状态SOC(%),但此方法并不可以估算电池容量值(mAh)。


它的计算方法是依据电池电压和开路电压之间的动态差别,凭借着使用迭代算法来计算每一次增加或减少的荷电状态,以估算荷电状态。相比于库仑计量法电量计的解决方案,动态电压算法电量计并不会随时间和电流累积误差。库仑计量法电量计一般会由于电流感测误差及电池自放电而导致荷电状态估算不准确。即便电流感测误差十分小,库仑计数器却会不断累积误差,而所累积的误差仅有在完全充电或完全放电才可以清除。


动态电压算法电量计仅由电压数据来估算电池的荷电状态;因为它并不是由电池的电流数据来估算,因此并不会累积误差。若要提升荷电状态的精确度,动态电压算法要用实际的装置,依据它在完全充电和完全放电的状况下,由实际的电池电压曲线来调整出一优化的算法的主要参数。


以上图为动态电压算法电量计和增益优化的表现


下面是动态电压算法在不同放电速率条件下,荷电状态的表现。由图得知,它的荷电状态精确度良好。无论是在C/2,C/4,C/7和C/10等的放电条件下,此方法整体的荷电状态误差都低于3%。

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以上为不同的放电速率条件下,动态电压算法的荷电状态的表现


下图显示在电池短充短放状况下,荷电状态的表现。荷电状态误差依然不大,且最大误差仅有3%。

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以上图为在电池短充短放的状况,动态电压算法的荷电状态的表现


相比于库仑计量法电量计一般会由于电流感测误差及电池自放电而导致荷电状态的不准确的情形,动态电压算法它并不会随时间和电流累积误差,这是一个大优点。由于没有充/放电电流的数据,动态电压算法在短期精确度上较差,且响应时间较慢。此外,它也无法估计完全充电容量。它在长期精确度上却表现良好,由此电池电压最终会直接反应它的荷电状态。






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关键词:锂电池充放电,电池充放电知识点,电池电量计量方法

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