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锂电池电量监测原理(2)
发布时间:2021-04-25   点击次数:1489次

第三章基于电压的电量监测计

基于电压的电量监测计

Ø   优势

–无需完全放电就能进行学习

–自放电无需矫正

–在小负载电流条件下非常准确

Ø   劣势

–由于内部电池阻抗的原因,准确度欠佳

–阻抗与温度、老化和电荷状态之间存在函数关系

 

总结一下,基于电压的电量监测计它的缺点就是由于电池内部阻抗的原因造成准确度不好。阻抗、温度、老化状态和电池的容量百分比之间是存在一个函数关系的,这个函数关系相当复杂,要专业搞电池的人才能够找到一个比较近似的函数关系,很难找到一个精确的函数关系,所以这种模型相当复杂,一般的电子工程师或软件工程师要写出很精确的关系是很难的,所以大家在软件计算里面有关容量方面的计算是工程师们最头痛的一个问题,那么它也有一些优势,优势是它不需要完全放电就能够得到电池现在的容量是多少。

因为做过电池的人都知道一个电池出厂之前一般要进行一个完全的充放电。为什么要进行充放电呢?这是要定位现在电池的容量是多少,电池的满充电量是多少,尤其是电池的满充容量,不同的电池满充容量是有差别的,当然你可以选一个电池的设计容量,但是不同的电池与设计容量之间的偏差还是比较大的,要得到这个满充容量,还是要做一个完整的充放电才行,那么具体的充放电对生产过程的要求就比较高了,要加上很多的直接成本。

另外,电池有自放电的特性。电池放在那里,即使负载不工作,电池自己也会放电,时间长了以后电量会越来越少,电压会越来越低,那么电压监测的电量计它只要根据电压来判断容量,所以现在有多少电压就报告多少容量,那么自放电多少不用去太关心,所以这种基于电压的电量计如果在电流很小的情况下,它还是能达到一定的准确度的,但是目前来讲,各种应用越来越复杂,电流的变化也越来越大,所以基于电压的电量监测计要满足客户的要求就有点难了。

基于库伦计数的电量监测

 

除了基于电压的电量监测计,还有一种电量计就是库仑计数的电量监测技术。这个电量监测计的思路就是,首先把一个电池充到满,充满过程中就能够知道电池的现有容量,就是电池的满充容量,然后在放电过程当中把电池的放电容量从现有容量中扣去就可以得到现在电池里面还剩多少容量。它的思路其实就是电流对时间的一个积分来得到放出多少容量,从而得到电池里面剩多少容量。

用这种技术每次放电结束的时候放出容量都会有一个记录,这个记录的容量就作为电池的满充容量,所以每次放完结束的时候Qmax会被更新,也就是电池的化学容量和最大容量都会被更新。

在完全放电之前进行学习

理论上是这样,但实际在更新电池的满充容量或化学容量的时候,不一定会把电池完全放空了再去更新。因为这时更新电池电压就很低了,有可能系统要关机或者有什么情况,这个时候就已经太晚了,通常的更新是在电池容量放到还剩7%左右进行更新,这个更新的思路是说到容量到了7%,意味着放掉了93%的容量,如果对刚才放掉的容量进行积分就会放掉容量的mAh数,用这个mAh数除以93%就可以得到满充容量,这样也达到了学习的效果,所以一般学习不会放到0%的时候再去,一般在7%的时候去学习。

至于学习,学习的是电池的满充容量,有了满充容量之后,对放电的电流进行积分,才能够算出现在剩多少容量,所以满充电池的电量对电量的计算也是比较重要的。至于7%和3%对应的电压是多少,这取决于当时的电流、温度和阻抗。一般在室温电流恒定,同一批电池阻抗相差不是太大的情况下,这个电压也可以认为基本恒定,因为在7%的时候是,这个时候电压偏差造成容量的偏差不会太大,所以可以在7%时进行修正。

经补偿的放电终止电压(CEDV)

刚才讲到7%这一点其实是在给定的温度、电流或者同一批电池的情况下,这一点的电压基本固定了,但是实际上它的电流不可能是一个固定的电流,在使用的过程中电流总是会在不停的变化的,那么7%对应的电压也是不同的,也就是不同的电流对应的7%是不一样的。在这一条曲线中,放电电流为I1,I1对应的电压在这条曲线当中是,用CEDV2来表示,CEDV2是I1的函数,如果这个电流发生变化了,同样用7%的电压来修正,这个误差就大了,从CEDV的曲线中可以看到,7%对应的电压实际还有30%剩余容量,如果按照7%去进行同步或学习,去修正满充容量,就会有23%的容量丢了,所以这个时候就造成了一个大的误差,所以这个算法就要根据电流来对7%这点的电压进行修正,7%这点的电压我叫做CEDV2,把这一点的电压找到跟电流的函数关系,不同的电流下得到不同的电压。所以在电流I2的情况下,我们得到CEDV2其实它的电压比要低一点,CEDV2(I2)实际是根据复杂的计算得到的,它的公式大概的是这样的:CEDV=OCV(T,SOC)-I*R(T,SOC),CEDV的C是补偿的,EDV是终止放电电压,也就是经过补偿的终止放电电压实际是等于电池的开路电压减去由于内阻造成的压降。关键是在这个公式里面OCV(T,SOC)可以找到一个跟曲线匹配比较好的函数,而且这个曲线也不大会变化,但是后面这个曲线它是T和SOC的函数,这个曲线就很难找一个匹配的函数,所以说这个公式相当复杂。

由于内阻差异性的存在,这个公式使用过程当中它的准确度是有限制的,不是说在整个放电过程当中这个公式都是通用的,通常我们用这个公式算的时候,在7%以下是用这个公式算的,也就是R(T,SOC)这样一个函数关系式,这在我们的datasheet里面是可以找到的,适用的范围仅仅只是7%或12%以后的范围。这样的其实也够了,因为修正指需要在7%左右修正就行了,所以它适用的范围小这个问题不大,那么12%以前还是用库仑计算来进行积分,库仑计算积分造成的误差可以在12%以后通过电压修正来得到补偿,这就是CEDV算法的简单思路。这个公式反应的其实是阻抗、温度和SOC之间的一个关系,这种关系反应的是电池的阻抗,这个公式里面一般参数定了之后,阻抗、温度和容量百分比的关系就定了,实际上随着电池使用年限的增加,内阻是肯定会变的,但是这个公式其实没有反应电池的内阻和使用年限之间的差异,这个公式不能够反应出这个差异,当然我们后续的算法当中加了改进,加了一些线性的补偿,这个可以在我们的同CEDV的芯片里面,比如TI的BQ3060,早一点的BQ2084,BQ2085这几个是用CEDV算法来做的。

基于库伦计数的电量监测

Ø   优势

 –不受电压测量失真的影响

 –准确度由电流积分硬件确定

 –监测误差:3-10%(取决于工作条件和用途)

Ø   劣势

 –需要学习周期以更新Qmax

   –电池容量随老化而下降

 Qmax较少幅度:3-5%(100次充电)

   –在不学习的情况下,每充电10次监测误差将增加1%

 –自放电必须建模:不准确

 

与老化相关的主要参数:阻抗

 

基于库仑计数的电量监测它的优势是什么呢?

因为它主要是根据电流积分来进行电量计算的,所以电压测量的失真对它的影响就比较小,电流有多准,是有电路积分的硬件来决定的,整CEDV算法如果你参数控制得比较好,误差可以控制在3%甚至更低一点,如果参数和实际电池的模型匹配可能会大一点,大概整个误差在3~10%左右,具体取决于工作的条件和用途。

它的劣势就是刚才说的,因为它是用库仑计数,也就是说充进去多少电、放出了多少电来进行容量计算的,前提是它要知道电池的满充容量,才能够算出电池里面剩多少容量。这个满充容量一般要在出厂之前更新一下,因为电池的满充容量和剩余容量偏差还是比较大的,不能够直接用电池的剩余容量当满充容量来做,所以电池出厂以前都要做一个充放电周期循环来得到电池的满充容量,根据循环来得到满充容量是电量计自己来做的,但循环是需要在生产线上配备专门的工具来做的,所以这个比较耗时间。还有电池的容量也会随着使用年限的增加而下降,当然下降得不像阻抗那样的显著,但是100次充放电之后也会有3~5%的下降,这个下降也要想办法进行补偿,为什么呢?因为你在实际使用的情况下,不是每一次放电都能够得到学习的,因为我们的用电设备拿出去(手机或笔记本电脑)放电,它不一定会从满充的情况下一直放到空,或者放到7%以下让你去更新满充容量,一般可能放电到一半,或者稍稍放一下电就立刻把适配器给插上了,这种情况下放电就很浅,它不一定有机会去更新满充容量,在没有更新的情况下,每充电10次监测的误差将增加1%,这样的话Qmax不更新它的误差就会越来越大,所以在实际使用过程当中,如果用老式的电量计,大家如果有这样的经验,笔记本电脑拿出去一个月可能要让它全充全放一次,让它不断的去更新里面的Qmax的参数,做得相对准确。还有一个就是对电池的自放电进行估计,它是不准确的,因为像刚才所说的基于电压的电量监测技术,电池有多少电量,它判断电压然后去查一下表现在剩多少,至于电池在内部放了多少电,它是不用关心的。

如果是库仑计的话,它主要不是根据电压来判断容量的,它是根据电流的充放电来判断容量的,电池内部的充放电,库仑计的监测芯片是监测不到这种电流的,因为库仑计是接在电池外面的,只能监测到电池流进流出的电流,电池内部耗掉的电流它是测不到的,所以每次放电放了多少它只能用一个简单的模型去估计一下,所以这个结果也不是很准确,使用年限延迟之后也会造成误差的增加,所以这里面有个比较大的因数就是电池的老化,库仑计在处理老化上面,它的办法比较受局限,老化造成的影响,一个是容量会随着老化的增加而减少,另外一个老化以后电池阻抗会增加。刚才说到电池的阻抗增加的时候,电池的CEDV计算误差也会变大,因为在这个公式里面这个阻抗只跟温度和容量百分比有关,加进了对容量的估计,这个估计其实也是一个线性的,跟实际的电池还是有一定的差异,所以这个电池年限的增加阻抗对容量造成的贡献来讲误差会越来越大。所以CEDV算法它考虑到了电池阻抗对电压的修正,但它没有考虑到电池阻抗随时间变化的因数,或者说考虑得比较简单。所以传统的电量监测方法在没有负载的情况下可以用电压监测的方法来得到比较准确的容量,在有负载的情况下可以用库仑计数来得到容量,所以这两种方法算是互补的。其实在市场上可以买到的芯片基本上也是把这2种方法结合起来使用的。

 

 

对于典型电量监测计的优势

电池管理产品-电池电量监测

 

芯片BQ3060都是结合了电压监测和库仑计数两种技术结合起来使用的。

问题考查

所以不管是基于电压的电量监测计还是基于电流积分的电量监测计,里面对容量的计算影响比较大的都是阻抗,这个阻抗里面对于老化造成的影响都是基于一个简单的线性模型来做的,或者说早期的就没有这一部分老化的影响,这样由于它依据的模型相对比较简单,所以实际上跟电池的匹配成功比较差,也就是说造成的误差会随着时间年限的延长越来越明显,所以对电池电量计算影响最大的一个因数其实是电池的阻抗,如果能够随时随地的得到电池的阻抗,那我们电池的容量就可以得到比较精确的计算。

 

第四章阻抗跟踪技术的优势

下面我们就来介绍TI的电量监测技术(我们叫做阻抗跟踪技术)和它的优势。

电量监测

基于电压的电量监测:可在无负载条件下提供准确的监测

基于库仑计数的电量监测:可在有负载条件下提供准确的监测

整合了基于电压和基于电流之监测方法的优势

实时阻抗测量

采用开路电压和阻抗信息来计算给定平均负载条件下的剩余运行时间。

刚才讲到基于电压的电量监测技术可以在没有负载的条件下提供比较准确的电量监测,基于库仑计数的电量监测可以在有负载提供准确的电量监测,我们的阻抗跟踪技术其实整合了电压和电流方法监测的优点,它为什么能够得到2种方法的优点呢?因为它实时的测量电池的阻抗,它没有去找一个电池阻抗的公式然后对一些因数进行补偿,它是找到了一个实时测量阻抗的方法,因为它是实时测量出来的,就没必要去根据模型来对它进行补偿。在知道电池阻抗的情况下,可以根据开路电压和阻抗信息来估算在给定的电流下面系统或者电池能够提供多长运行时间或者提供多少容量给系统运行。这个公式在这个地方就更加细化了一点,也就是说电池的端电压等于电池的开路电压减去内阻上面的压降,内阻上面的压降主要是由于电池的内阻造成的,内阻这个地方是有温度、容量百分比、年限3个因数共同决定的,但是如果你要用一个公式来表示这个内阻的话,就会相当复杂,而且效果也不理想。我们的办法其实是对阻抗进行实时的测定。

 OCV = f (SOC, T) 曲线的比较

阻抗测定这东西基本的思路是怎么样的呢?电池的电压我们在实际使用的过程当中,电池端电压会随着很多情况发生改变,刚才已经讲过了,电池的端电压可能会随着电流的大小发生改变,电池的端电压当然也会随着容量百分比发生变化,在同样的百分比,同样的电流下,电池的端电压可能还和温度有关系,和电池的老化程度还有关系,但是这只是我们看到的表面现象,其实更本质的来说电池内部的开路电压曲线或者说电池的电动势它是跟这些外面的因数对它的影响相对来说不是那么明显,可以找到一些共同性的东西,不同厂商生产的电池在给定的测试条件下,比如说在同样的温度下,这个曲线误差是很小的。这条曲线是我们综合了5家电池制造商做出来的电池测出来的开路曲线,大家看到这些开路曲线基本上是一致的,那么它们是在同样的温度下测出来的曲线,因为它是开路电压,也谈不上电流,当然它的测定过程也是相当繁琐的,因为它要得到电流近似为0的状态下的开路曲线,它的测试过程还是比较繁琐的,在这条曲线上我们可以看出,这条曲线基本上不会随着制造商不同发生变化,制作赏因为工艺不同可能阻抗上会有比较大的变化,但这条开路电压曲线基本上大家都是一致的,大多数的电压偏移小于5mV,由这个电压来进行SOC的预测误差一般在%之内,所以一旦找到这样的曲线,对不同的电芯供应商做出来的电池就可以用同样的曲线来进行计算,这个曲线的计算可以知道电池的开路电压,可以反过去查出电池的容量百分比,主要就是这样一个曲线。知道电池电容容量百分比之后,知道电池的化学容量或者满充容量,就可以知道它剩多少mAh的电量,那就可以算出运行多长时间,后续的容量百分比可以进一步的计算出来。

下面这张图是误差的放大图,这个误差在整个放电过程当中,这边是一个电压误差,包括测定设备的影响,这个误差在±15mV之间,这样的误差大概在容量的误差、SOC的计算误差是在±%之内,为什么呢?因为这个地方的电压误差还跟仪器的测量精度有关系,仪器的测量精度这些都考虑进来之后,所造成的容量百分比误差在%之内。

怎样测量 OCV ?

怎样测量阻抗?

对于传统电池容量学习的问题

  需要采用许多的测试设备并花费大量的时间。

   用户有可能永远无法实现电池的完全放电以学习容量。

   在不学习的情况下,每充电 10 次监测误差就将增加 1%。

在未完全放电的情况下学习 Qmax

积分模式与相关模式之间的合作

阻抗跟踪电量监测计

Ø   优点

-整合了基于电压和库仑计数这两种电量监测方法各自的优势

-在小电流 (OCV) 和大负载电流时均可提供准确监测

-弃用不准确的自放电模型(采用 OCV 读取)

-对于新电池和老化电池可提供非常准确的电量监测

-容量学习无需满充电和完全放电


第五章电量监测

电量监测的好处

 

您将看到的电量监测好处是:可向用户报告电池运行时间、可提供更好的电源管理、能够在电池耗尽之前自动地保存用户数据、以及可获得尽可能长的运行时间。

对于移动计算而言,按序关断具有基本重要性——每台笔记本 PC 都有一个电池电量监测计,而其中的 90% 使用了 TI 的电量监测芯片,原因即在于此。

运行时间的延长源于电源管理、关断点的预测准确度以及根据电池阻抗—容量改变关断电压。

Ø   运行时间比较示例--- ImpedanceTrackTM  监测计关断与OCV 关断点的比较

-不具备准确监测计的系统简单地在某个固定电压下关断

-智能手机、平板电脑、便携式医疗、数码相机等需要备用电池能量来完成关断任务

-许多设备都在  或  时关断,以顾及备用容量最差的情况

在此比较当中使用的是  关断监测计将计算剩余容量并改变关断电压,直到在所   有情况下均确切地留有备用容量为止;

使用10 mAH 备用容量;

电池的温度和老化状况是变化的;

 

带可变混合负载的新电池

 

带可变混合负载的旧电池

 

这张图也是一样的,这张图不是一个新电池,相对来讲是一个比较旧的电池。它也是放到关断和在剩10mAh容量的时候关断,再这种情况下它的时间大概增加了58% 。

低温条件下带可变混合负载的新电池

这是在低温下的情况,低温下时间延长的效应更明显,因为低温下的内阻增加了很大,在这里使用的时间延长了121% 。

低温条件下带可变混合负载的旧电池

在这种测试条件下它的负载电流变化更大,这种情况下它甚至可以延长到290%,为什么呢?因为如果在低温下在这个地方它就要关机了,这个时间相当短,刚开始放电还没放多久就要关机了,那么如果用了阻抗跟踪技术呢,可以继续放80多分钟才关机,因为只要保留10mAh容量关机就足够了,所以这可以延长很多时间,我不是绝对的根据电压做一个刚性的指标决定它要不要关机的,是根据剩余容量来决定要不要关机的,这样的话只有用阻抗跟踪技术才可以算出到多久必须关机,所以用阻抗跟踪技术可以大大的改善用户体验,用户体验在现在的便携式的消费类电子产品当中对扩大销量、带来竞争优势它是一个很重要的因数。

Ø  电量监测 – ImpedanceTrackTM 技术的优势

–动态(学习)能力

应用中的温度可变性:

IT 考虑到了由于温度的上升/下降所引起的电池阻抗变化;

IT 引入了热模拟以针对自发热进行调节;

负载变化:

IT 将跟踪由于高负载尖峰所引起的电压降;

–老化电池

IT 拥有针对因电池老化所致的可用容量变化进行调节的能力;

–延长运行时间

借助基于 IT 的监测计可采用较低的终止电压;

–灵活性

电池特性分析;

主机系统无需执行任何计算或监测算法;

 

刚才介绍的是比较直观的可以想到的一些优势,其实阻抗跟踪技术里面随着算法的不断改善在使用过程当中电池的温度不断的上升下降引起的阻抗变化加入了温度模型的估计,引入了热模拟来对电池的发热进行调节,而且对使用过程当中对负载的变化也做了一个学习,就是说一个用户的使用习惯下对一个用电设备,它的电流的变化是有一定的规律的,那么阻抗跟踪的芯片在使用过程当中它会慢慢去学习这个规律,掌握由于负载变化引起的电压降,这些压降其实对容量计算也是要考虑的,也要考虑这些因数的,当然之前也讲到对于老化的电池由于阻抗跟踪是实时的计算电池的阻抗的,它对老化的电池不需要用模型去进行估计,它是实测出来的阻抗,所以老化的影响相对来讲对它就比较小。由于它精确的计算容量,可以最大限度的延长使用时间,大家从刚才的那几张图上可以很明显的看到。有了阻抗跟踪的芯片我们的主机系统就不需要任何算法再去计算电池的容量,只需要简单的读取指订的寄存器就可以得到容量。有了阻抗跟踪技术你还可以对电池彻彻底底的进行一些分析,比如说电池的老化程度、电池的健康状况……等等。

未得到使用的电池容量的含义

电池成本:每 100mAh 容量的平均成本为  美元;

较低的终止电压 (TV) = 较大的电池容量;

对于新电池,TV 降低 500mV 可增加大约 5% 的容量 → 就 1500mAh 电池而言节省了约  美元;

对于老化电池,TV 降低 500mV 可增加大约 50% 的容量 → 可节省约  美元(就1500mAh 电池而言)并延长运行时间;

为制造商提供了节省成本的机会,同时还延长了最终用户的电池运行时间;

还有一个优势在什么地方呢?就是随着阻抗跟踪技术的使用,电池的容量得到更准确的计算,在电池容量更准确的计算的情况下,其实这个电量计就可以给你带来成本上的节省了。对电池来讲,通常100mAh的容量它的成本大概在美元左右。举一个例子,由于降低放电终止电压来得到较大的电池容量,这里的TV值就是放电的终止电压,降低500mV大约可以增加5%的容量,比如说本来的降低3V,这500mV这个容量可以增加5%,就1500mAh的电池它其实大概就节省了5%,75mAh的容量,这个时候就是帮你省掉了美金。

当然这个只是美金,但随着电池的老化而言降低500mV增加的容量就不是5%了,而是50%,这样的话节省的大概是1美元,当然这是对1500mAh容量而言,随着电池容量越来越大,因为现在的智能设备耗电量越来越高,所以会越来越大,那么这个节省的钱就越来越多。

 

由于监测不准确而造成的损失

– 假设客户每天进行一次充放电 → 3 个月的使用时间 = 90 天,大约充电 90 次 → 电池内部阻抗几乎增加一倍 → 出现电池老化的情况;

– 未采用阻抗跟踪的监测计 → 由于电池逐步老化的原因而产生了不准确的监测结果→   短得多的运行时间乃至发生系统崩溃;

– 运营商的电池质保期可能为一年甚至两年;

– 客户由于故障监测结果的缘故而将整部设备退货 → 质保期内的退货将使公司蒙受经   济损失;

– 基于阻抗跟踪的监测计能够延长电池运行时间,并避免发生因故障监测结果所致的一些代价高昂的退货;

所以客户在设计系统的时候不能光考虑到一个芯片带来的多少成本,也应该考虑到它为你选用电池降低了多少成本,因为有了阻抗跟踪技术这种比较准确的电量计算芯片,选用的电池容量就可以比较精确一点,不需要留有过多的余量,由于监测不准给客户带来的损失这在现实生活当中有很多。举个例子来讲,如果客户每天进行充放电,3个月时间大概是90天,大概充电90次,电池内阻就要增加1倍,这个时候说100次电池就会老化1倍,如果你没有采用阻抗跟踪的电量监测计,那个时候电池的阻抗增加了1倍,会造成电量计算的误差,由于它原有的电量计是按照比较小的内阻来计算电量的,实际的内阻已经增加了1倍了,那么它计算出来的内阻势必会有比较大的误差。它会造成一种什么情况呢?它会告诉你比较多的运行时间,但实际的运行时间比这小得多,结果造成突然关机,这个突然关机对系统的影响是很大的,我们的笔记本电脑突然关机可能造成系统的崩溃,那么用户的感觉就是这个电池的使用时间大大的缩短了,而这个缩短可能不是由于电池的老化造成的。

电池的保质期可能为1~2年,那么这个地方才使用了3个月的时间,就出现了系统突然崩溃这种状况,客户可能会由此要求退货,那么这样反而会造成公司的经济损失,所以这个是举个例子来讲,由于电量计不准造成经济损失。

总结

所以就便携是电池产品而言,准确的监测计对于获得长运行时间的重要性并不亚于降低设计方案的功耗和采用强健的电池。因为你要强健的电池,你就要更多的mAh,这个实际上是要增加成本的。那如果用准确的电量计,最大限度的算出系统可用的容量,这样就可以用相当来讲容量比较低的电池,这样可以带来成本上的节省。

可用的电量计方案有很多,它们一般来讲都是基于电压监测或者库仑计数两种方案的折中,很少用单纯的电压监测或者单纯的用库仑计数。

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