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鋰電(diàn)池充放電(diàn)理論(lùn)及電量計算法設計

2022-02-17 10:55:39 139

1. 鋰離子(zǐ)電池介紹(shào)



1.1 荷電(diàn)狀態 (State-Of-Charge;SOC)


荷電狀態可定(dìng)義為(wéi)電池中(zhōng)可用電能的狀態,通常以百(bǎi)分比來表示。因為(wéi)可用電能會因充放電電流,溫度及老化現象而有不(bú)同,所以(yǐ)荷電狀態的定義也區分為兩(liǎng)種:絕對荷電狀態(Absolute State-Of-Charge;ASOC)及相對荷電狀態(Relative State-Of-Charge;RSOC)。通常相對荷(hé)電狀態的範圍是 0% - 100%,而電池完全充電時是 100%,完全放電時是0%。絕對荷電狀態則是一(yī)個當(dāng)電池製造完成時,根據所設(shè)計的固定容量值所計算出來的的參考值。一個全新完全(quán)充電電池的絕對荷電狀態是100%;而(ér)老化(huà)的電池即便完全充電(diàn),在不同充(chōng)放電情況中也無(wú)法到(dào)100%。


下圖顯示不同放電率下電壓與電(diàn)池容量的關係。放電率愈高,電池容量愈低。溫度(dù)低時,電池容量也會降低。


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圖(tú)一、不同放電率及溫度下電壓與容量之關係


1.2 最高(gāo)充電電壓 (Max Charging Voltage)


最高充電電壓和電池的化學成分與特性有(yǒu)關。鋰電池的充電電壓通常是4.2V 和 4.35V,而若陰極、陽極材料不同電壓值也會有所不同。


1.3 完全充電 (Fully Charged)


當電池(chí)電壓與最高充電電壓差小於100mV,且充電電流降低至C/10,電池可視為完全充(chōng)電。電池特性(xìng)不同,完全充電(diàn)條件(jiàn)也有所不同。


下(xià)圖所顯示為(wéi)一典型的鋰電池充電(diàn)特性曲線。當電池電壓(yā)等於(yú)最高充(chōng)電電(diàn)壓,且充電電流降低至(zhì)C/10,電(diàn)池即視為完全充電。

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圖(tú)二、鋰電池充電特性曲線


1.4 最低放電電壓 (Mini Discharging Voltage)


最低放電電壓可用截(jié)止放(fàng)電電壓來定義,通常即是荷電狀態(tài)為0%時的電壓。此電壓值不是一固定(dìng)值,而是隨(suí)著負載、溫度、老化程度或其他而改變。


1.5 完全放電 (Fully Discharge)


當電池電壓小於或等於最(zuì)低(dī)放(fàng)電電壓時,可(kě)稱為完全放電。


1.6 充放電率(lǜ) (C-Rate)


充放電率是充放(fàng)電(diàn)電流相對於電池容量的一種表示。例如(rú),若用1C來放電一小時之後,理想的話,電池就會完全放電。不(bú)同充放(fàng)電率會造成不同的可(kě)用容量。通常,充放電率(lǜ)愈大,可用容量愈(yù)小


1.7 循環壽命


循環次數是當一個電池所經曆完整充放電的次數,是可由實(shí)際放電容(róng)量與設計(jì)容量來估計。每當累(lèi)積的放電容量等(děng)於設計容量時,則循環次數一次。通常在500次充放電循環後(hòu),完全充(chōng)電的電池容量約會下降10% ~ 20%。

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1.8 自放電 (Self-Discharge)


所有電池(chí)的自放電(diàn)都會隨著溫度上升而增加。自放(fàng)電基(jī)本上不是製造上的瑕疵,而(ér)是(shì)電池本身(shēn)特性。然而製造(zào)過程中不當的處理也會造成自放電的增加。通(tōng)常電池溫度每增(zēng)加10°C,自放電率(lǜ)即倍增(zēng)。鋰離(lí)子電池每個月自放電量約為1~2%,而各類鎳(niè)係電池則為每月(yuè)10~15%自放電量。


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2. 電池電量計簡介(jiè)


2.1 電量計功能簡介


電池管理可視為是(shì)電源管理的一部分。電池管理中,電量計是負責估計電池容量。其(qí)基本功能為監測電壓,充(chōng)電/放(fàng)電電流和電池溫度,並估計電池荷電狀態(SOC)及電池的完全(quán)充電容量(FCC)。有兩種典型估計電池荷電狀態的方法:開路電壓法(OCV)和庫(kù)侖(lún)計量法。另一種方法是由RICHTEK所設計的動態電壓(yā)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(kě)借著開路電壓對應荷(hé)電(diàn)狀態查表而得到。開路電壓的假設條件(jiàn)是電池休息約超過30分鍾時的電池(chí)端電壓。


不同的(de)負載(zǎi),溫度(dù),及電池老化情況下,電池電壓曲線也會有所(suǒ)不同。所以一個固(gù)定的開路(lù)電壓(yā)表無法完全代表荷電狀態;不能單靠(kào)查表來估計荷電狀態。換言之,荷電狀(zhuàng)態若隻靠查(chá)表來(lái)估計,誤差將(jiāng)會很大。


下圖顯示同樣的電池電壓分別在充放電之下,透過開路電壓法所查得的荷電狀態差異很大。8fedf37e55e44e2dbc4809a8d50dfd4d.png








圖五、充、放電(diàn)情況下的電池電壓


下(xià)圖可知,放電時不同負載之下,荷電狀態的差異也是(shì)很大。所以基本上,開路電壓法(fǎ)隻適合對荷電狀態準確性要求低的係統,像汽車使(shǐ)用鉛(qiān)酸電池或不間斷電源等。


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圖六、放電(diàn)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(zài)電池(chí)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,轉換成電池正在充電或放電的電流值。實時計數(shù)器(RTC)則提(tí)供把該電流值對時間作積分,從而得知流過多少庫倫。

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圖(tú)七、庫倫計量法基本工作方式


庫侖計(jì)量法可精(jīng)確計算出充電(diàn)或放電過程中實時的荷電狀態。藉由充電庫侖計數器和放電庫侖計數器,它可計算剩餘電(diàn)容量(liàng) (RM)及完全充電容量(FCC)。同時也可用剩餘電容量(RM) 及完全充(chōng)電容量 (FCC) 來計算出荷電狀態,即 (SOC = RM / FCC)。此(cǐ)外,它還可預估剩餘時間,如電力耗竭(TTE)和電力充滿(TTF)。

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圖八、庫倫計量法的計算公式


主要有兩個因素造成庫倫計量法準確(què)度偏差。第一(yī)是電流感測及ADC量測中偏移(yí)誤差的累積(jī)。雖然以目前的技術此量測的誤(wù)差還算小,但(dàn)若沒有消除它的好方(fāng)法,則此誤差會隨時間(jiān)增加(jiā)而增(zēng)加。下圖顯示了在實際應用中(zhōng),如(rú)果時間持續中的未有任何的修正,則累(lèi)積的誤(wù)差是無上限的。

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圖九、庫倫計量法的累積誤差


為消除累積誤差,在正常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(hé)休息(xī)(Relax)。充電結束條件達到表示電池(chí)已(yǐ)充滿電且荷電狀態(SOC)應為100%。放電結束條件則表示電池(chí)已(yǐ)完全放電(diàn),且荷電狀態(SOC)應(yīng)該(gāi)為0%;它可以是(shì)一個絕對的電壓值(zhí)或者是隨負(fù)載而改變。達到(dào)休息狀態時,則是電池旣沒有充電也沒(méi)有放電,而且保持這種狀態很長一段時間(jiān)。若使用者想用電池休息狀態來作庫侖計量法的誤差修正,則此時必須搭配開路電壓(yā)表(biǎo)。下圖顯示了在上述(shù)狀態下的荷電狀(zhuàng)態誤差是可以被修正的

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圖十、消除(chú)庫侖計(jì)量法累積誤差的條件


造成庫倫(lún)計量法準確度偏差的第二主要因素是完全充電容量(FCC)誤差,它是由電池設計容量的值和電池真正的完(wán)全充電容量的差異。完全充電容量(liàng)(FCC) 會受到溫度,老化,負載等因素(sù)影響。所以,完全(quán)充(chōng)電容量的再學習(xí)和補償方法對庫侖計量法是非(fēi)常關鍵重要的。下圖顯示了當完(wán)全充電容量被高估和被低(dī)估時,荷電(diàn)狀態誤差的趨勢現(xiàn)象。


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圖十(shí)一、完全充電容量被高估和被低估時,誤差的趨勢


2.4 動態電壓算法電量計


動態電壓算(suàn)法電量計僅根據電池電壓即(jí)可計算(suàn)鋰(lǐ)電池的荷電狀態(tài)。此法是(shì)根據電池電壓和(hé)電池的開路電壓之間的差值,來估計荷電狀態的遞增量或遞減量。動態電壓(yā)的信息可(kě)以有效地仿真鋰(lǐ)電池的行(háng)為(wéi),進而決定荷電狀態SOC(%),但此方法並不能估計電池容量值(mAh)。


它的計算方式是根據電池電壓和開路電壓(yā)之間的動態差異,借著使用迭代算法來計算每次(cì)增加或減少的荷電狀態,以估計荷電(diàn)狀(zhuàng)態。相較於庫(kù)侖計量法電量計的解決方案,動(dòng)態電壓算法電量(liàng)計不會隨時間和(hé)電流累積(jī)誤差。庫侖計量法電量計通常會因為電流感測誤差(chà)及電池自放電而造成荷電狀態估計不準。即使電流感測誤差非常小,庫侖計數器卻會持(chí)續累積誤差,而所累積的誤差隻有在完全充電或完全放電才(cái)能消除。


動態電壓(yā)算(suàn)法電(diàn)量計僅(jǐn)由電壓信息來估計電池的荷電狀態(tài);因為它不是由電池的電流信息來估計,所以不會累積(jī)誤差。若要提高荷電狀(zhuàng)態的精確度,動態電壓算法需要用實際的裝置,根據它在完全充電和完全放電的(de)情況下,由實際的電池電(diàn)壓曲線來調整出一優(yōu)化的算法的參數。

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圖十二、動態電壓算法電量計和增益優化的表現


下麵是動態電壓算法(fǎ)在不同放電速率條件下,荷(hé)電狀態的表現。由(yóu)圖可知,它的荷電狀態精確(què)度良好。不論是在C/2,C/4,C/7和C/10等的放電條件下,此法整體的(de)荷電狀態誤差都小(xiǎo)於3%。

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圖十三、不同的放電速率條件下(xià),動態電壓算法的荷電狀態的表現


下圖顯示在電(diàn)池短充短放情況下,荷電狀態的表現。荷(hé)電狀態誤差仍然(rán)很小,且(qiě)最大誤差僅有3%。

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圖十四、在電(diàn)池短充短放的情況,動態電壓算法的荷電狀態的表現



相較於庫(kù)侖計量(liàng)法電量計通常會因為電流感測誤差及電池自放電而造成荷電狀態的(de)不準的(de)情形,動(dòng)態電壓算法它不會隨時間和電流累積誤(wù)差(chà),這是一個大優點。因(yīn)為沒有充(chōng)/放電電流(liú)的信息(xī),動(dòng)態電壓算法(fǎ)在短期精確度上較差,且反應時間較慢。此外,它也無法估計完全充電容量。然而,它在長期精(jīng)確度上(shàng)卻表現良好,因為電池電壓最終會直接反應它的(de)荷電狀態。















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