電池管理可視為是電源管理的一部分。電池管理中,電量計是負(fù)責(zé)估計電池容量。其基本功能為監(jiān)測電壓,充電/放電電流和電池溫度,并估計電池荷電狀態(tài)(SOC)及電池的完全充電容量(FCC)。有兩種典型估計電池荷電狀態(tài)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(shè)計的動態(tài)電壓算法。

1、開路電壓法的電池電量計算方法

用開路電壓法的電量計,其實(shí)現(xiàn)方法較容易,可借著開路電壓對應(yīng)荷電狀態(tài)查表而得到。開路電壓的假設(shè)條件是電池休息約超過30分鐘時的電池端電壓。

不同的負(fù)載,溫度,及電池老化情況下,電池電壓曲線也會有所不同。所以一個固定的開路電壓表無法完全代表荷電狀態(tài);不能單靠查表來估計荷電狀態(tài)。換言之,荷電狀態(tài)若只靠查表來估計,誤差將會很大。

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(tài)差異很大。

放電時不同負(fù)載之下,荷電狀態(tài)的差異也是很大。所以基本上,開路電壓法只適合對荷電狀態(tài)準(zhǔn)確性要求低的系統(tǒng),像汽車使用鉛酸電池或不間斷電源等。

放電時不同負(fù)載之下,荷電狀態(tài)的差異也是很大

2、庫侖計量法的電池電量計算方法

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(zhuǎn)換成電池正在充電或放電的電流值。實(shí)時計數(shù)器(RTC)則供應(yīng)把該電流值對時間作積分,從而得知流過多少庫倫。

庫侖計量法

庫侖計量法可精確計算出充電或放電過程中實(shí)時的荷電狀態(tài)。藉由充電庫侖計數(shù)器和放電庫侖計數(shù)器,它可計算剩余電容量(RM)及完全充電容量(FCC)。同時也可用剩余電容量(RM)及完全充電容量(FCC)來計算出荷電狀態(tài),即(SOC=RM/FCC)。此外,它還可預(yù)估剩余時間,如電力耗竭(TTE)和電力充滿(TTF)。

剩余電容量(RM)及完全充電容量(FCC)

重要有兩個因素造成庫倫計量法準(zhǔn)確度偏差。第一是電流感測及ADC量測中偏移誤差的累積。雖然以目前的技術(shù)此量測的誤差還算小,但若沒有消除它的好方法,則此誤差會隨時間新增而新增。下圖顯示了在實(shí)際應(yīng)用中,假如時間持續(xù)中的未有任何的修正,則累積的誤差是無上限的。

實(shí)際應(yīng)用中,假如時間持續(xù)中的未有任何的修正,則累積的誤差是無上限的

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(diǎn):充電結(jié)束(EOC),放電結(jié)束(EOD)和休息(Relax)。充電結(jié)束條件達(dá)到表示電池已充滿電且荷電狀態(tài)(SOC)應(yīng)為100%。放電結(jié)束條件則表示電池已完全放電,且荷電狀態(tài)(SOC)應(yīng)該為0%;它可以是一個絕對的電壓值或者是隨負(fù)載而改變。達(dá)到休息狀態(tài)時,則是電池旣沒有充電也沒有放電,而且保持這種狀態(tài)很長一段時間。若使用者想用電池休息狀態(tài)來作庫侖計量法的誤差修正,則此時必須搭配開路電壓表。下圖顯示了在上述狀態(tài)下的荷電狀態(tài)誤差是可以被修正的。

荷電狀態(tài)誤差被修正

造成庫倫計量法準(zhǔn)確度偏差的第二重要因素是完全充電容量(FCC)誤差,它是由電池設(shè)計容量的值和電池真正的完全充電容量的差異。完全充電容量(FCC)會受到溫度,老化,負(fù)載等因素影響。所以,完全充電容量的再學(xué)習(xí)和補(bǔ)償方法對庫侖計量法是非常關(guān)鍵重要的。

完全充電容量被高估和被低估時荷電狀態(tài)誤差的趨勢現(xiàn)象

3、動態(tài)電壓算法的電池電量計算方法

動態(tài)電壓算法電量計僅根據(jù)電池電壓即可計算鋰離子電池的荷電狀態(tài)。此法是根據(jù)電池電壓和電池的開路電壓之間的差值,來估計荷電狀態(tài)的遞增量或遞減量。動態(tài)電壓的信息可以有效地仿真鋰離子電池的行為,進(jìn)而決定荷電狀態(tài)SOC(%),但此方法并不能估計電池容量值(mAh)。

它的計算方式是根據(jù)電池電壓和開路電壓之間的動態(tài)差異,借著使用迭代算法來計算每次新增或減少的荷電狀態(tài),以估計荷電狀態(tài)。相較于庫侖計量法電量計的解決方法,動態(tài)電壓算法電量計不會隨時間和電流累積誤差。庫侖計量法電量計通常會因?yàn)殡娏鞲袦y誤差及電池自放電而造成荷電狀態(tài)估計不準(zhǔn)。即使電流感測誤差非常小,庫侖計數(shù)器卻會持續(xù)累積誤差,而所累積的誤差只有在完全充電或完全放電才能消除。

動態(tài)電壓算法電量計僅由電壓信息來估計電池的荷電狀態(tài);因?yàn)樗皇怯呻姵氐碾娏餍畔砉烙?所以不會累積誤差。若要提高荷電狀態(tài)的精確度,動態(tài)電壓算法要用實(shí)際的裝置,根據(jù)它在完全充電和完全放電的情況下,由實(shí)際的電池電壓曲線來調(diào)整出一優(yōu)化的算法的參數(shù)。

動態(tài)電壓算法電量計

下面是動態(tài)電壓算法在不同放電速率條件下,荷電狀態(tài)的表現(xiàn)。由圖可知,它的荷電狀態(tài)精確度良好。不論是在C/2,C/4,C/7和C/10等的放電條件下,此法整體的荷電狀態(tài)誤差都小于3%。

動態(tài)電壓算法在不同放電速率條件下荷電狀態(tài)的表現(xiàn)

電池短充短放情況下荷電狀態(tài)的表現(xiàn)

相較于庫侖計量法電量計通常會因?yàn)殡娏鞲袦y誤差及電池自放電而造成荷電狀態(tài)的不準(zhǔn)的情形,動態(tài)電壓算法它不會隨時間和電流累積誤差,這是一個大優(yōu)點(diǎn)。因?yàn)闆]有充/放電電流的信息,動態(tài)電壓算法在短時間精確度上較差,且反應(yīng)時間較慢。此外,它也無法估計完全充電容量。然而,它在長期精確度上卻表現(xiàn)良好,因?yàn)殡姵仉妷鹤罱K會直接反應(yīng)它的荷電狀態(tài)。