锂电池充放电理论及电量计算法设计

1.锂离子电池简介.

1.1充电状态(充电状态;SOC)

充电状态可以定义为电池中可用电能的状态,通常用百分比表示.由于可利用的电能会因充放电电流、温度和老化现象的不同而有所不同,所以充电状态的定义可以分为两种:绝对充电状态;ASOC)和相对荷电状态;RSOC).一般来说,相对充电状态在0%到100%之间,而电池充满电时为100%,完全放电时为0%.绝对充电状态是在制造电池时根据设计的固定容量值计算的参考值.全新全充电电池的绝对充电状态为100%.然而,即使老化的电池充满电,在不同的充放电条件下也不能达到100%.

下显示了不同放电速率下电压和电池容量之间的关系.放电速率越高,电池容量越低.当温度较低时,电池容量也会降低.

不同放电速率和温度下电压与容量的关系.

1.2最大充电电压(最大充电电压).

最大充电电压与电池的化学成分和特性有关.锂电池的充电电压通常为4.2V和4.35V,如果正负极材料不同,电压值也会不同.

1.3充满电(充满电).

当电池电压与最大充电电压之差小于100毫伏,充电电流降至C/10时,电池可视为充满电.电池特性不同,充满电的条件也不同.

下图为锂电池典型的充电特性曲线.当电池电压等于最高充电电压且充电电流降至C/10时,则认为电池已充满电.

锂电池充电特性曲线.

1.4最小放电电压(最小放电电压).

最小放电电压可以由截止放电电压定义,该电压通常是充电状态为0%时的电压.电压值不是固定值,而是随着负载、温度、老化程度或其他因素而变化.

1.5完全放电(完全放电).

当电池电压小于或等于最小放电电压时,可称为完全放电.

1.6充放电速率

充放电率是充放电电流相对于电池容量的表示.例如,如果电池用1C放电一小时,理想情况下,电池将完全放电.不同的充电和放电速率将导致不同的可用容量.通常,充放电速率越大,可用容量越小.

1.7循环寿命.

循环时间是电池经历完全充电和放电的时间,可以通过实际放电容量和设计容量来估计.每次累计放电容量等于设计容量时,循环次数为一次.通常,经过500次充放电循环后,充满电的电池容量会下降约10%~20%.

循环时间与电池容量的关系.

1.8自放电(自放电).

所有电池的自放电都会随着温度的升高而增加.自放电基本上不是制造上的缺陷,而是电池本身的特性.但是制造过程中处理不当也会造成自放电增加.一般来说,电池温度每升高10℃,自放电率就会翻倍.锂离子电池的自放电容量约为每月1~2%,而镍基电池的自放电容量为每月10~15%.

锂电池在不同温度下的自放电率性能

2.电池表介绍.

2.1电表功能简介.

电池管理可以视为电源管理的一部分.在电池管理中,电表负责估计电池容量.它的基本功能是监测电压、充/放电电流和电池温度,并估计电池的充电状态(SOC)和满充电容量(FCC).有两种典型的方法来估计电池的充电状态:开路电压法(OCV)和库仑法.另一种方法是RICHTEK设计的动态电压算法.

2.2开路电压法.

采用开路电压法的电表容易实现,可以通过查找开路电压对应的充电状态表得到.开路电压的假设是电池静止超过30分钟时的端电压.

在不同的负载、温度和电池老化条件下,电池电压曲线会有所不同.因此,固定开路电压表不能完全代表电荷状态.充电状态不能仅通过查表来估计.换句话说,如果只通过查表来估计充电状态,误差会很大.

下图显示相同的电池电压分别处于充放电状态,开路电压法检查的充电状态差异较大.

充放电条件下的电池电压.

从下图可以看出,放电时不同负载下,充电状态的差异也很大.因此,基本上,开路电压法仅适用于要求低充电状态精度的系统,如使用铅酸电池或不间断电源的汽车.

放电过程中不同负载下的电池电压.

2.3库仑分析法.

库仑法的工作原理是将检测电阻连接到电池的充电/放电路径.模数转换器测量检测电阻上的电压,并在电池充电或放电时将其转换为电流值.实时计数器(RTC)提供对电流值随时间的积分,以知道有多少库仑流过.

库仑测量法的基本工作模式.

库仑法可以准确计算充电或放电过程中的实时充电状态.配合充电库仑计数器和放电库仑计数器,可以计算剩余电容(RM)和满充电容量(FCC).同时,剩余容量(RM)和满荷容量(FCC)也可以用来计算荷电状态,即(SOC=RM/FCC).此外,它还可以预测剩余时间,如电量耗尽(TTE)和满电(TTF).

库仑计量的计算公式.

造成库仑测量精度偏差的主要因素有两个.首先是电流检测和模数转换器测量中失调误差的累积.虽然用目前的技术测量误差仍然很小,但如果没有很好的方法消除它,误差会随着时间的推移而增加.下图表明,在实际应用中,如果时间内没有修正,累计误差没有上限.

库仑测量法的累积误差.

为了消除累积误差,有三个可能的时间点可用于正常电池操作:充电结束(EOC)、放电结束(EOD)和放松.充电结束状态表示电池已充满电,SOC应为100%.结束条件表示电池已完全放电,充电状态(SOC)应为0%.它可以是绝对电压值,也可以随负载而变化.当达到静止状态时,电池既不充电也不放电,并长时间保持这种状态.如果用户想利用电池的静止状态来校正电量测量的误差,此时必须匹配开路电压表.下图显示,在上述条件下,可以校正充电状态误差.

库仑法消除累积误差的条件.

造成库仑测量精度偏差的第二个主要因素是面心立方误差,即电池的设计容量与电池的真实满充容量之差.满负荷容量(FCC)受温度、老化、负荷等因素的影响.因此,满荷容量的重新学习和补偿方法对库仑法非常重要.下图为满充容量高估和低估时的荷电状态误差趋势现象.

全充电容量高估和低估时的误差趋势.

2.4动态电压算法电表.

动态电压算法电表只能根据电池电压来计算锂电池的充电状态.该方法根据电池电压和电池开路电压之间的差值来估计充电状态的增量或减量.动态信息可以有效模拟锂电池的行为,进而确定SOC(%),但这种方法无法估计电池容量(mAh).

根据电池电压与开路电压的动态差值,利用迭代算法计算每次充电的递增或递减状态,从而估计充电状态.与库仑法相比,动态电压算法不会随时间和电流积累误差.由于电流传感误差和电池自放电,库仑静电计通常对电荷状态的估计不准确.即使电流感应误差很小,库仑计数器也会继续积累误差,积累的误差只有在充满电或完全放电时才能消除.

动态电压算法电表仅根据电压信息来估计电池的充电状态.因为它不是由电池的当前信息估计的,所以不会积累误差.为了提高充电状态的准确性,动态电压算法需要一个实际的器件,根据满充满放情况下的实际电池电压曲线,调整优化的算法参数.

动态电压算法电表的性能及增益优化.

以下是动态电压算法在不同放电速率下的充电状态表现.从图中可以看出它的荷电状态是准确的.无论在C/2、C/4、C/7和C/10放电条件下,该方法的总荷电状态误差均小于3%.

不同放电速率下动态电压算法的荷电状态性能.

下显示了电池短充短放情况下的充电状态表现.荷电状态的误差仍然很小,最大误差只有3%.

在电池短时间充电和短时间放电的情况下动态电压算法的充电状态的性能.