第三章基于電壓的電量監測計

基于電壓的電量監測計

? 優勢

–無需完全放電就能進行學習

–自放電無需矯正

–在小負載電流條件下非常準確

? 劣勢

–由于內部電池阻抗的原因，準確度欠佳

–阻抗與溫度、老化和電荷狀態之間存在函數關系

總結一下，基于電壓的電量監測計它的缺點就是由于電池內部阻抗的原因造成準確度不好。阻抗、溫度、老化狀態和電池的容量百分比之間是存在一個函數關系的，這個函數關系相當復雜，要專業搞電池的人才能夠找到一個比較近似的函數關系，很難找到一個精確的函數關系，所以這種模型相當復雜，一般的電子工程師或軟件工程師要寫出很精確的關系是很難的，所以大家在軟件計算里面有關容量方面的計算是工程師們最頭痛的一個問題，那么它也有一些優勢，優勢是它不需要完全放電就能夠得到電池現在的容量是多少。

因為做過電池的人都知道一個電池出廠之前一般要進行一個完全的充放電。為什么要進行充放電呢？這是要定位現在電池的容量是多少，電池的滿充電量是多少，尤其是電池的滿充容量，不同的電池滿充容量是有差別的，當然你可以選一個電池的設計容量，但是不同的電池與設計容量之間的偏差還是比較大的，要得到這個滿充容量，還是要做一個完整的充放電才行，那么具體的充放電對生產過程的要求就比較高了，要加上很多的直接成本。

另外，電池有自放電的特性。電池放在那里，即使負載不工作，電池自己也會放電，時間長了以后電量會越來越少，電壓會越來越低，那么電壓監測的電量計它只要根據電壓來判斷容量，所以現在有多少電壓就報告多少容量，那么自放電多少不用去太關心，所以這種基于電壓的電量計如果在電流很小的情況下，它還是能達到一定的準確度的，但是目前來講，各種應用越來越復雜，電流的變化也越來越大，所以基于電壓的電量監測計要滿足客戶的要求就有點難了。

基于庫倫計數的電量監測

除了基于電壓的電量監測計，還有一種電量計就是庫侖計數的電量監測技術。這個電量監測計的思路就是，首先把一個電池充到滿，充滿過程中就能夠知道電池的現有容量，就是電池的滿充容量，然后在放電過程當中把電池的放電容量從現有容量中扣去就可以得到現在電池里面還剩多少容量。它的思路其實就是電流對時間的一個積分來得到放出多少容量，從而得到電池里面剩多少容量。

用這種技術每次放電結束的時候放出容量都會有一個記錄，這個記錄的容量就作為電池的滿充容量，所以每次放完結束的時候Qmax會被更新，也就是電池的化學容量和最大容量都會被更新。

在完全放電之前進行學習

理論上是這樣，但實際在更新電池的滿充容量或化學容量的時候，不一定會把電池完全放空了再去更新。因為這時更新電池電壓就很低了，有可能系統要關機或者有什么情況，這個時候就已經太晚了，通常的更新是在電池容量放到還剩7%左右進行更新，這個更新的思路是說到容量到了7%，意味著放掉了93%的容量，如果對剛才放掉的容量進行積分就會放掉容量的mAh數，用這個mAh數除以93%就可以得到滿充容量，這樣也達到了學習的效果，所以一般學習不會放到0%的時候再去，一般在7%的時候去學習。

至于學習，學習的是電池的滿充容量，有了滿充容量之后，對放電的電流進行積分，才能夠算出現在剩多少容量，所以滿充電池的電量對電量的計算也是比較重要的。至于7%和3%對應的電壓是多少，這取決于當時的電流、溫度和阻抗。一般在室溫電流恒定，同一批電池阻抗相差不是太大的情況下，這個電壓也可以認為基本恒定，因為在7%的時候是，這個時候電壓偏差造成容量的偏差不會太大，所以可以在7%時進行修正。

經補償的放電終止電壓（CEDV）

剛才講到7%這一點其實是在給定的溫度、電流或者同一批電池的情況下，這一點的電壓基本固定了，但是實際上它的電流不可能是一個固定的電流，在使用的過程中電流總是會在不停的變化的，那么7%對應的電壓也是不同的，也就是不同的電流對應的7%是不一樣的。

在這一條曲線中，放電電流為I1，I1對應的電壓在這條曲線當中是，用CEDV2來表示，CEDV2是I1的函數，如果這個電流發生變化了，同樣用7%的電壓來修正，這個誤差就大了，從CEDV的曲線中可以看到，7%對應的電壓實際還有30%剩余容量，如果按照7%去進行同步或學習，去修正滿充容量，就會有23%的容量丟了，所以這個時候就造成了一個大的誤差，所以這個算法就要根據電流來對7%這點的電壓進行修正，7%這點的電壓我叫做CEDV2，把這一點的電壓找到跟電流的函數關系，不同的電流下得到不同的電壓。

所以在電流I2的情況下，我們得到CEDV2其實它的電壓比要低一點，CEDV2(I2)實際是根據復雜的計算得到的，它的公式大概的是這樣的:CEDV=OCV(T,SOC)-I*R(T,SOC)，CEDV的C是補償的，EDV是終止放電電壓，也就是經過補償的終止放電電壓實際是等于電池的開路電壓減去由于內阻造成的壓降。

關鍵是在這個公式里面OCV(T,SOC)可以找到一個跟曲線匹配比較好的函數，而且這個曲線也不大會變化，但是后面這個曲線它是T和SOC的函數，這個曲線就很難找一個匹配的函數，所以說這個公式相當復雜。

由于內阻差異性的存在，這個公式使用過程當中它的準確度是有限制的，不是說在整個放電過程當中這個公式都是通用的，通常我們用這個公式算的時候，在7%以下是用這個公式算的，也就是R（T,SOC）這樣一個函數關系式，這在我們的datasheet里面是可以找到的，適用的范圍僅僅只是7%或12%以后的范圍。

這樣的其實也夠了，因為修正指需要在7%左右修正就行了，所以它適用的范圍小這個問題不大，那么12%以前還是用庫侖計算來進行積分，庫侖計算積分造成的誤差可以在12%以后通過電壓修正來得到補償，這就是CEDV算法的簡單思路。這個公式反應的其實是阻抗、溫度和SOC之間的一個關系，這種關系反應的是電池的阻抗，這個公式里面一般參數定了之后，阻抗、溫度和容量百分比的關系就定了，實際上隨著電池使用年限的增加，內阻是肯定會變的，但是這個公式其實沒有反應電池的內阻和使用年限之間的差異，這個公式不能夠反應出這個差異，當然我們后續的算法當中加了改進，加了一些線性的補償，這個可以在我們的同CEDV的芯片里面，比如TI的BQ3060，早一點的BQ2084，BQ2085這幾個是用CEDV算法來做的。

基于庫倫計數的電量監測

? 優勢

? –不受電壓測量失真的影響

? –準確度由電流積分硬件確定

? –監測誤差：3-10%（取決于工作條件和用途）

? 劣勢

? –需要學習周期以更新Qmax

–電池容量隨老化而下降

? Qmax較少幅度：3-5%（100次充電）

–在不學習的情況下，每充電10次監測誤差將增加1%

? –自放電必須建模：不準確

與老化相關的主要參數：阻抗

基于庫侖計數的電量監測它的優勢是什么呢？

因為它主要是根據電流積分來進行電量計算的，所以電壓測量的失真對它的影響就比較小，電流有多準，是有電路積分的硬件來決定的，整CEDV算法如果你參數控制得比較好，誤差可以控制在3%甚至更低一點，如果參數和實際電池的模型匹配可能會大一點，大概整個誤差在3~10%左右，具體取決于工作的條件和用途。

它的劣勢就是剛才說的，因為它是用庫侖計數，也就是說充進去多少電、放出了多少電來進行容量計算的，前提是它要知道電池的滿充容量，才能夠算出電池里面剩多少容量。這個滿充容量一般要在出廠之前更新一下，因為電池的滿充容量和剩余容量偏差還是比較大的，不能夠直接用電池的剩余容量當滿充容量來做，所以電池出廠以前都要做一個充放電周期循環來得到電池的滿充容量，根據循環來得到滿充容量是電量計自己來做的，但循環是需要在生產線上配備專門的工具來做的，所以這個比較耗時間。還有電池的容量也會隨著使用年限的增加而下降，當然下降得不像阻抗那樣的顯著，但是100次充放電之后也會有3~5%的下降，這個下降也要想辦法進行補償，為什么呢？因為你在實際使用的情況下，不是每一次放電都能夠得到學習的，因為我們的用電設備拿出去（手機或筆記本電腦）放電，它不一定會從滿充的情況下一直放到空，或者放到7%以下讓你去更新滿充容量，一般可能放電到一半，或者稍稍放一下電就立刻把適配器給插上了，這種情況下放電就很淺，它不一定有機會去更新滿充容量，在沒有更新的情況下，每充電10次監測的誤差將增加1%，這樣的話Qmax不更新它的誤差就會越來越大，所以在實際使用過程當中，如果用老式的電量計，大家如果有這樣的經驗，筆記本電腦拿出去一個月可能要讓它全充全放一次，讓它不斷的去更新里面的Qmax的參數，做得相對準確。還有一個就是對電池的自放電進行估計，它是不準確的，因為像剛才所說的基于電壓的電量監測技術，電池有多少電量，它判斷電壓然后去查一下表現在剩多少，至于電池在內部放了多少電，它是不用關心的。

如果是庫侖計的話，它主要不是根據電壓來判斷容量的，它是根據電流的充放電來判斷容量的，電池內部的充放電，庫侖計的監測芯片是監測不到這種電流的，因為庫侖計是接在電池外面的，只能監測到電池流進流出的電流，電池內部耗掉的電流它是測不到的，所以每次放電放了多少它只能用一個簡單的模型去估計一下，所以這個結果也不是很準確，使用年限延遲之后也會造成誤差的增加，所以這里面有個比較大的因數就是電池的老化，庫侖計在處理老化上面，它的辦法比較受局限，老化造成的影響，一個是容量會隨著老化的增加而減少，另外一個老化以后電池阻抗會增加。剛才說到電池的阻抗增加的時候，電池的CEDV計算誤差也會變大，因為在這個公式里面這個阻抗只跟溫度和容量百分比有關，加進了對容量的估計，這個估計其實也是一個線性的，跟實際的電池還是有一定的差異，所以這個電池年限的增加阻抗對容量造成的貢獻來講誤差會越來越大。所以CEDV算法它考慮到了電池阻抗對電壓的修正，但它沒有考慮到電池阻抗隨時間變化的因數，或者說考慮得比較簡單。所以傳統的電量監測方法在沒有負載的情況下可以用電壓監測的方法來得到比較準確的容量，在有負載的情況下可以用庫侖計數來得到容量，所以這兩種方法算是互補的。其實在市場上可以買到的芯片基本上也是把這2種方法結合起來使用的。

對于典型電量監測計的優勢

電池管理產品-電池電量監測

芯片BQ3060都是結合了電壓監測和庫侖計數兩種技術結合起來使用的。

問題考查

所以不管是基于電壓的電量監測計還是基于電流積分的電量監測計，里面對容量的計算影響比較大的都是阻抗，這個阻抗里面對于老化造成的影響都是基于一個簡單的線性模型來做的，或者說早期的就沒有這一部分老化的影響，這樣由于它依據的模型相對比較簡單，所以實際上跟電池的匹配成功比較差，也就是說造成的誤差會隨著時間年限的延長越來越明顯，所以對電池電量計算影響最大的一個因數其實是電池的阻抗，如果能夠隨時隨地的得到電池的阻抗，那我們電池的容量就可以得到比較精確的計算。