锂电池电量检测原理Word格式.docx

1、阻抗跟踪技术与其优势1.3第一部分：电池化学成分基本知识首先给大家介绍的是一些跟电池电量计量有关的一些电池化学成分的知识。下图为：锂离子电池放电曲线：最优运行时间这里的三X图是在不同情况下测到的锂离子电池放电曲线图。随着放电速率、温度和老化情况改变关断电压可提供尽可能长的运行时间。从这些图中我们首先可以看到，在室温小电流情况下电池的电压在3.5V 之后会很快的发生跌落，虽然系统可以支持的最低电压可以到3.0V或3.3V，但是由于到3.5V之后电压会很快跌落，为了避免突然关机造成的数据丢失或者加载文件的电路突然中断，客户的应用系统通常的倾向于把电池的最低容量为零的参考点设置为3.5V，如果在低温

2、或者大电流的情况下，或者在电池非常老化的情况下，如果还是把3.5V作为电量为零的参考点，那就会造成电池的可用容量大大的减少，大家可以从这些曲线上可以看到，在大电流情况下，基本上一开始放电的曲线就已经快到3.5V了，那么在老化或者低温的情况下也是类似的，所以如果固定的以3.5V作为容量为零的参考点，那在低温或者大电流情况，或者是接近老化的情况下，会造成所报告容量的缩减，为了避免这种情况，电池的容量需要根据温度、放电速率、电池的老化程度进行调整。锂离子电池的大电流放电能力可通过使用较厚或较薄的活性材料层在很宽的X围内进行调整。活性材料层较薄意味着电池拥有较高的大电流放电能力，但能量密度则较低。笔记

3、本电脑中使用的标准18650圆柱形电池专为实现最大C速率放电而设计。然而，有些电池的额定规格则是专为10C放电而拟订的用于便携式电动工具，甚至有的电池能达到60C速率放电用于气电混合动力汽车中的备用电源/再生制动。大电流放电能力在低于0的低温条件下将严重降低，这是因为有机电解液的低导电率所致。电解液的导电率良莠不齐，所以应查阅制造商提供的有关低温放电的数据，这一点很重要。1.4电池化学容量Qmax关于电池电量监测技术里面，有一个比较重要的概念，就是电池的化学容量Qmax。在这X图里面，红色的曲线和3.0V的横坐标交叉点，对应的值就是Qmax。这个曲线是负载电流为0.1C的情况下测出来的，因为要

4、测得Qmax必须保证负载电流足够的小，理论上Qmax是指电流趋近零时所能放出来的容量，但实际情况下，工程技术上是用很小的电流来做Qmax的测定，这里我们是用的0.1C的电流。那为什么是0.1C呢？C这个概念在电池电量管理里面就是指电池的放电速率，1C实际就是指如果电池的容量为2200mAh，电流为2200mA就是1C，所以概念上就是1小时内将1节电池完全放空所需要的电流。因此2200mAh的电池对应的放电电流就是2200mA，那0.5C的放电电流对应的就是1100mA。在这X图里面所提到的EDV指的是系统或者电池本身能够支持的最低电压。在便携式应用中，有关电池功能性的主要问题是“它能持续工作多

5、长的时间？这是由活性材料的数量、它的比容量和电压特性决定的。当电池放电时，其电压逐步下降，直至达到设备可接受的最小电压被称为“放电终止电压 EDV为止，也就是如果在该电压下继续放电将导致电池受损。通过对放电过程中的传递电荷进行积分，我们可以测量在达到 EDV 之前可以放电的容量 Qmax。低速率锂离子电池放电期间的电压曲线在上面进行了图示。1.5可用容量Quse还有一个对应的容量就是可用容量。因为刚才讲的是电池的化学容量，电池的化学容量是在电流很小的时候测得的容量，它更多的是由电池本身的特性决定的。那实际在电池的使用过程中，这么多容量不是都能够放得出来的，在实际的使用过程中，由于有一定的放电电

6、流，所以放电曲线会比开路电压曲线低，大家可以看到这条曲线，由于存在电池的内阻，实际的放电曲线是蓝色的这条曲线，由蓝色的曲线和红色的曲线对应的值得到Quse，Quse实际指的是电池的可用容量，在这X曲线中我们发现，由于电池内阻的存在使这个曲线的位置往下移了，那么放电的时候会更早的达到放电终止电压，也就是更早的达到EDV，所以Quse一般是小于Qmax。从这个曲线中我们也可以看出，电流越大，Quse会越小.。在这曲线当中，I*Rbat就是指的由于内阻的存在，造成电池端电压的下降。1.6电池电阻电池的内阻对电池电压的监测是有很重要的影响的。基本的公式可以用这样一个公式来表示电池的内阻对电池电量监测的

7、影响：V=Vocv-I*Rbat这个公式里面Vocv指的是电池的开路电压，I是指充放电电流，Rbat是指的电池的内阻，V是指电池的端电压。电池的阻抗实际是受很多因数影响的，受到环境温度、电池的容量百分比、电池的老化程度的影响。它是这些变量中一个非常复杂的函数。现在要得到这个函数的具体表达式是非常困难的，所以实际经常用实测的方法来得到阻抗，也就是用差分表的方法来得到阻抗。那么这个电池的内阻通常在100次充放电之后会增加1倍，这是一个经验值。同一批电池之间的偏差控制得比较好的大概可以控制在1015%左右，不同电池的制造商生产的电池内阻的偏差往往会更大。所以电池内阻是在生产当中很难把它的偏差控制得小

8、的一个变量，电池的内阻是一个非常难控制的变量，也是非常重要的一个变量。1.7电荷状态SOC刚才讲到的是SOC，SOC实际是指的容量百分比，也就是大家经常在使用手机或者平板电脑的时候屏幕角上的容量百分比，容量百分比的意义是说电池在某种状态下到放空之间还剩余多少电量。英文的缩写叫SOC，也就是StateOfCharge，所以也可以直接翻译成电荷状态，因为Charge就是指的电荷的意思。那么显然对一个充满了的电池电压百分比，或者电荷状态，就等于1；对一个完全放空的电池电压百分比就等于0。所以电压百分比的公式SOC等于这条曲线上的Q状态A时对应的剩余容量除以电池的化学容量Qmax。跟电量百分比对应的一

9、个概念是DOD，DOD指的是放电的深度，英文是DepthOfDischarge。那显然在充电百分比或者容量百分比为1的时候，那么放电深度应该是0；反过来容量百分比为0的时候，放电深度就应该是1。我们在TI的很多文档当中会碰到DOD这个概念，DOD实际上和SOC是一个相对的概念，它们表示的实际上是同一个意思，就是电池里面剩余的电量是多少，或者说这个电池从满充状态到现在已经放了多少电了，是表示这种程度的。1.8抗阻与温度和DOD有关那么电池的阻抗受影响比较大的有温度和容量百分比，也可以用刚才所说的放电深度来表示，也就是DOD来表示。从这X曲线我们可以看出一些基本的趋势，从图中可以看出放电百分比越大

10、、放电深度越大，那么电池的内阻就越大，因为这条曲线上纵坐标指的是电池内阻，它的单位是欧姆；横坐标指的是放电百分比，也就是DOD。不同颜色的曲线表示的是不同温度下测的的数据，显然在同一个温度下面，放电百分比越大，也就是放电越深，那它的电池内阻就越大。那么我们在这X图上还可以看到，在同样的DOD下，也就是同样的容量百分比下，温度越低，电池的内阻也相应的越大。这是一个基本的概念，这是大家要对电池所形成的一个基本的认识。1.9阻抗和容量随老化而改变电池的内阻除了和温度、容量百分比有关，另外一个影响比较大的因数就是电池的使用年限，也就是电池的老化程度。一般电池在100次重放电之后，化学容量会减少35%，

11、这个容量减少还不是很显著，但是它的阻抗变化就比较显著了，在100次充放电之后阻抗可以增加几乎1倍。大家可以从这2X图中看出来，左边的这X图是第1次和第100次的放电曲线画在一起的一X图，从这X图中可以看出来放电次数的增加对容量减少的影响还不是很大。但是放电速率的增加对内阻的影响是很大的，右边这X图指的是电池的内阻和放电次数增加的关系，这里面有很多条曲线，这X图的横坐标是测电池内阻时所用的频率，纵坐标是指电池的内阻。这X图中我们可以看出来，在频率很低的情况下，最下面的那条曲线是第1次在不同频率下测得的一条曲线，最上面的那条曲线是第100次在不同频率下测得的电池内阻的曲线，这2条曲线在于纵坐标交点

12、的值基本相差了1倍，所以说100次循环之后，电池的内阻增加了1倍。这里的内阻横坐标用的是频率，表示在频率很低的情况下，内阻的变化随着循环次数的增加是很显著的，但是反过来讲，随着频率的升高，比如说：测试负载的变化频率升高到1KHZ的时候，内阻的变化基本可以忽略不计了，大家可以看到这么多曲线基本都汇聚到同一点去了。那么实际上对我们电池电量监测影响大的是什么样的阻抗呢？是在频率比较低或者是直流情况下的阻抗，所以我们应该看右边这X图曲线和纵坐标的2个交点，从这个交点上我们可以看出，循环次数对电池的直流内阻影响。1.10新电池的阻抗差异这X图表现的是新电池阻抗的差异。电池的工艺结构上是一层一层叠起来或者

13、一层一层卷起来的，所以电池正负极之间从外部看上去，可以看到有电容的特性，也有电阻的特性，也有电感的特性。所以整个电池来讲，如果要测量它的阻抗，阻抗可以分为实部和虚部，在这X图中，我们用一个交变的负载去测定电池的内阻，这个电池的变化频率，也就是负载电流的变化频率，是从1KHZ变到1mHZ，1KHZ的概念大家经常接触到，就是1秒钟变化1000次；1mHZ就是1000秒变化1次，这个变化频率就相当缓慢了，也就是说测的其实是一个直流的阻抗。在这2X图里面，大家可以看到，直流阻抗是随着频率的降低单调的线性增加的，但是交流阻抗它有一个变化的趋势，一开始是小，后续慢慢的变大，然后又变小，最后又变大，这是由于

14、电池内部存在电容和电感这些因数综合影响造成的。但是直流阻抗是单调的增加的，随着频率的降低，直流阻抗是越来越大的。那么对电池电量监测技术来讲，我们关心的是1mHZ时的直流阻抗，从这X图中我们可以看到，1mHZ情况下，电池阻抗的偏差还是有15%左右，这个15%左右的阻抗偏差会造成在如果是1C电流放电，电池的端电压和开路电压压差40mV低温情况下，如果你使用的算法是根据电压来判断容量，大概会引起26%左右的容量误差。1.11电池剩余容量RM下面介绍的是电池的剩余容量。剩余容量是指当前状态放到EDV的电池容量，EDV也就是终止放电电压。图中当前状态A在一个给定的电流下进行放电，放电到3.0V的时候，对

15、应的剩余容量从图中标出的就是RM1。那如果在状态A的情况下，同比较大的电流放电，这个时候这个曲线的位置会比开路电压更低一点，也会比刚才的小电流放电的RM1对应的位置更低一点，那这个时候得到的剩余容量是RM2。RM2和RM1对应的放电曲线它们的区别在于使用的放电电流是不一样的，放电电流越大，曲线的位置越低，剩余容量就越小，所以电池的剩余容量是与放电速率有关的，不同的电流下面电池的剩余容量是不一样的。有的用户在电池的实际使用过程中在放电的情况下，会发现电池的容量由少变多，他感到不可理解，实际这里可以解释一下，这种情况是由于放电电流的变化造成的，当我们看到电池容量由少变多的情况，这个通常是由于放电电

16、流突然变小造成的，因为在不同的电流下电池可以放出的容量是不一样的，当放电电流变小的时候，它可以放出的容量是可以增加的。1.12电池化学成分概要Qmax = 电池化学容量 （无负载）Quse = 可用容量 （与负载有关）电池电阻和负载产生 I-R 压降SOC = 电荷状态 （%，取决于 OCV）RM = 剩余容量 （取决于负载）电池老化会影响阻抗和容量我们现在简单的回顾一下刚才介绍的概念。Qmax是指的电池的化学容量。这个容量的值是和负载没有关系的。它是指在极小的负载电流情况下，电池能够放出了的容量，通常它的单位是用mAh来表示的。Quse是指电池的可用容量。这个容量是和负载有关的，不同负载的情

17、况下，电池的可用容量是不一样的，负载电流越大，电池的可用容量越小。为什么Quse和Qmax会造成这样的区别呢？这主要是由于电池的内阻和负载在电池的电动势和端电压直接产生了一个压降，还有一个概念就是电池的容量百分比，或者是说电荷状态，它的单位是%，这个%实际上就是电池的剩余容量除以电池的化学容量得到的。剩余容量叫RM，RM的大小也是取决于负载的，负载越大，在同一个状态下剩余容量就越小。还有一个概念就是电池的老化会影响到电池的阻抗和容量。老化对阻抗的影响比较明显，100个周期之后阻抗会增加1倍。老化对容量的影响不像阻抗这么明显，但是100个周期之后会有35%的跌落。第二章传统的电池电量监测方法2.

18、1目标：充分利用可用的电池容量电池电量监测的主要目的是为了最大程度的利用电池里面的容量，通常来讲，电池里面的容量我们一般很难做得100%利用的，为什么呢？这里存在2个因数，第1，在充电的时候，充电电压很难正好是电池的满充电压，通常我们为了防止电池出现过冲状态，这个充电电压误差是往下偏的，也就是说4.2V的电池，充电电压有可能是4.18V或4.15V，这样，如果在这个低充电电压下进行充电，充进去的容量可能就会变小；另外，由于电池电量监测的不准确性，用户为了安全，防止突然关键造成数据丢失，可能电量估计得会比较保守，也就是说电池真正的电量还没到0%的时候，他就提前报成0%，让系统提前关机，这样至少可

19、以避免用户的数据丢失，当然用户体验上感觉电池的容量变小了，这是一个缺点，这样做的后果也是导致电池的容量不能充分的发挥出来，电池电量监测技术是为了最大程度的提高对电池电量的监测，让用户能够最大程度的使用当前电池里面的容量，这个蓝色的这段实际上指的就是电池的有效容量，我们这个技术就是为了把实际的有效容量尽量的往上或者往下扩展。2.2传统的电池包侧电量监测计这是面向单节电池便携式应用的传统电池包方框图。电量监测计位于电池包侧，以连续监测电池工作情况并通过I2C或单线协议将剩余容量或运行时间信息提供给主机。然而，当电池循环寿命终止时，即使电量监测计仍然处于良好状态我们也不得不扔掉电池包。我们被迫购买另

20、一个带电量监测计的电池包，从而增加了最终用户的成本。我们能否将电量监测计置于主机侧以尽量降低成本呢？传统的电池包电量监测技术是这样一个框架结构的，电量监测的芯片一般来讲是放在电池包里面的，在这X图里面虚线围起来的部分就是电池包，这个电池包一般是有锂电池电芯，也就是这里看到的一个电池电气符号，还有红色方块所代表的电量监测计，这个就是TI的器件所在的位置。还有就是控制MOS管的保护器，这个保护器是在电池过充或者过放的时候动作切换MOS对电池芯进行保护，一般电池包里面还会放一个热敏电阻，用来监测电池包的温度，那么除了左边指的是手机或者平板电脑的系统板，在这块系统板上跟电量计发生关系的主要是电源管理芯

21、片和主机的处理器，主机的处理器通常是通过I2C或者单线的HDQ总线来读取电量计里面的电量信息的。在这个电量信息得知的情况下，来决定现在有多少时间到电池完全放完，有些用户要做某些事情的时候可以提示用户现在电量是否足够，这是一个传统的解决方案，就是说把电量计放在电池包里面的解决方案，TI在这方面主要的器件有BQ27541、BQ27545这2颗主要的芯片；我们后续还推出了BQ27441，这是比较低成本的方案；我们还有BQ27741，这把电量计和保护器做到一起的一个方案；我们还有BQ28z560，这个也是包电量计和保护器做到一起的一个方案。2.3系统侧阻抗跟踪电量监测计在这幅示意图中，电量监测计位于主

22、机侧以尽量降低电池包成本。这样，当电池包使用寿命结束时，我们就不必购买电池包中的另一套电子组件。随着技术的进步，或者说TI的阻抗跟踪技术的推出，现在出现了这样一种运用，把电量监测计放在设备的主板一侧，电池这一侧就只有一个保护器和MOS管，还有热敏电阻，当然还有1个电芯在里面，这样的话有什么好处呢？电池包的成本就大大的降低了，电池包的供应商也比较好找了，因为他把电量计从电池包里面搬到了主机侧，所以这样的方案现在都是可行的，TI同时提供对这2种方案的支持。还有BQ28z550，这个方案是把电量计放在便携设备的系统板上，这样电池包里面就不需要放电量计了，这样就可以降低电池包的成本，使得供应商更容易找

23、到，这种TI的电量计主要有BQ27510、BQ27520，BQ27441也是可以用在这个场合的，还有BQ27425、BQ27421等等芯片。2.4电量监测计有哪些功能？电池与用户之间的通信测量：电池电压充电或放电电流温度提供：电池运行时间和剩余容量电池健康状况信息总体电池电源管理工作模式电量监测计的主要功能是哪些呢？电量监测计首先要完成系统和电池之间的通讯，系统要知道电池有多少电量，需要跟电量计之间的总线通讯，刚才说了I2C和单线的HDQ总线通讯来得到，在通讯的过程当中，系统主要可以得到哪些信息呢？第1个是实测的模拟量信息，比如说电池的电压、电池的充放电电流，还有电池的温度。这些基本的模拟量信

24、息作为一个电量计来讲，它更重要的还要提供电池的容量信息，也就是刚才所说到的电池的剩余容量、电池的运行时间，还有电池的健康状况的信息，还有一个就是这个芯片本身要能够完成工作状况的转变，也就是说它要从正常工作模式，转到低功耗模式，实现这种转变，达到一个什么目的呢？达到一个节省电量的目的。2.5如何实现电量监测计怎么实现电量监测呢？第一种方法就是基于电压的电量监测，电量百分比或容量百分比它把他看成是电池电压的一个函数，这是从经验上到得到的一个公式，当然这种函数本身的表达式不一定要得到，它只要得到一个开路电压和容量百分比对应的表格就行了，这个表格各个点之间的数据可以用差补的方法得到。还有一个方法就是库

25、仑计数，库仑计数是对充进电池或者电池里面放出的电流进行积分所得到的一个能量。我们可以把电池看成我们汽车的油箱，这个油箱充进多少油，放出多少油，就可以算出里面剩多少油，这也是一种比较直观的根据生活经验得到的一种算法。现在最新的算法是阻抗跟踪算法，这个算法其实它是依据实时的对电池的内阻测量来得到电池的容量，它的公式就是图中这个公式，刚才已经列举过，也就是电池的端电压V等于电池的开路电压减去电流乘以电池的内阻，这个电流是指电池流进或者流出的一个总电流。2.6基于电压的电量监测计下面先介绍一下基于电压的电量监测计，这X图是一个电池的开路电压曲线，这个方法的基本思路是对不同电压我们用不同的格数来表示电池

26、的容量，比如说在4.2V的时候用4格来表示，这是满格的电池；3.8V的时候我可能用3格来表示电池的容量，3.6V用2格；3.2V可能就用1格来表示电池的容量，就是说用不同的格数来对应不同的电池电压，来表示电池的容量，这种方法精度比较差，通常用在低端得最早期出现的那些蜂窝 ，或者早期出现的数码相机里面。这种方法会有一个什么问题呢？就是说在电流波动的时候这个会上下跳变，比如说我有一个放电电流的情况下，或者电流比较大的情况下，在放电的过程当中大家可以看在红颜色的这个箭头地方，如果电流在这一点突然减小，或者说我突然变成0了，这个电压很显然的就会往抬，电压一般抬到这一点的话，它的格数就会变成2格，再往下

27、的时候这变化就会更明显，再往下的时候电池格数可能接近0格或者用红颜色来表示这个电池的格数，这个时候的跳变就会由红颜色变成2格，这个时候就会来回跳，如果电流变化的情况下，比如说，他刚才打 打到这里停掉了，电池就剩2格，他以为还有电，然后突然又来一个 ，一下就变成0了，所以这种表示误差会比较大，因为大家看到这里实际上是用4格来表示电池容量的，因为1格就对应了25%的容量，所以跳一格就有25%的容量差，跳2格就有50%的容量差，所以这种方法误差比较大。误差比较大的原因就是因为电池存在内阻，在电流比较大的情况下，它的格数跳变会比较多。2.7电池电阻这个是电池开路电压和端电压的一个公式，刚才已经讲过电池

28、的内阻是温度、电荷状态和电池老化程度的一个函数；电池内阻在100次充放电之后会增加一倍；同一批电池的阻抗偏差可能会在1015%；不同电池制造商或者质量比较差的制造商内阻偏差会更大。2.8阻抗与温度和DOD有关这里对容量计算影响最大的或者最难得到的一个信息就是I*Rbat，当然I是比较容易得到的，只要测定流进流出的电流就可以了，以现在的技术这个可以测到1mA的精度。那么这个Rbat相对来讲就比较难一点测定，因为它是要根据2个量计算得到的。上图主要是阻抗与温度和容量百分比的关系，这个关系刚才已经讲过了，基本上阻抗是随温度的降低而增加，随着容量百分比的减少而增加，是这样一个概念。2.9新电池的阻抗差

29、异这个是阻抗的偏差，这个是一个什么样的概念呢？就是说我们通常来讲，使用的阻抗对电量计量影响比较大的哪个阻抗指的是在低频状态下的阻抗，是在1mHZ下的阻抗，实际上就是直流阻抗，而不是通常我们用市场上看到的内阻测试仪测到的阻抗，那个阻抗是在1KHZ下测到的电池内阻，那个内阻通常来讲看上去比较小。上面是已经介绍过的对容量计算精确度的影响的3个因数，是温度、容量百分比和老化程度，这些会给容量的计算造成影响，这个影响是指用电压来监测电量的方法的影响。除了这些因数的影响，如果用的是电压监测的方法，那么还有一个影响也是不可忽略的，而且这个影响也比较难处理，这是很多电量管理的工程师头痛的一个问题，就是电池有因

30、为瞬态响应的问题。2.10电池-瞬态响应大家从这2X图可以看一下，电池在比较满充的情况下放电，前面这条曲线是表示一个放电的过程，放到这个时候电压比较低了，然后负载移除，这个时候电池的电压并不是立刻回到电流为0的时候，因为大家想到负载移除电流就变0了，这个时候的电压有没有回到电流为0的电压呢？没有。它是慢慢的回上去的，它花了很长时间才回上去，大家看到这条曲线。大家平时的经验也可以证明这一点，就是说平时一个电池放电之后，然后你把负载拿掉，它的电压是在不断的变化的，那么这个电压变化稳定的过程要多长时间呢，大家看到这这一点大概是1600秒，基本上要稳定下来是到3500秒，大概有2000秒左右的时间，才

31、能稳定下来，这个是电压在3.8V到3.9V左右进行的放电，也就是说电池这个时候还没有饱。根据刚才介绍的在电池比较饱的情况下，也就是在电池容量百分比比大的情况下，电池的内阻这个时候是比较小的，电池内阻比较小的情况下它恢复的还算快的。下面这X图大家可以看到这边的电压是比较低了，从3.3V左右开始放电，放了一段时间后，这个时间也很短，因为锂电池电压比较低的情况下，稍微放一会电，接近到3.2V系统最低能够接受的电压，这个时候如果停止放电，这个电压需要多长时间回上去呢，基本上要更长的时间，比如3000秒以上的时间才能够把电压稳定下来，所以在这段时间之内，它的电压是不够稳定的，但是没有负载，电流是一直是0，这个时候你去读电压，电压是一直变化的，对应的容量百分比到底是多少呢？这个时候就会产生误差。2.11电压弛豫和电荷状态误差大家可以看到在20至3000秒之间电压的差异可以超过20mV,那么20mV这个电压值在计算容量的时候，它已经可以造成很大的容量偏差了，尤其在电压放电的平坦区这个阶段，它可以造成