電池管理可視為是電源管理的一部分。電池管理中,電量計是負責估計電池容量。其基本功能為監測電壓,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(kāi)路電壓法(OCV)和庫侖計量法。另一種方法是由RICHTEK所設計的動(dòng)態(tài)電壓算法。

1、開(kāi)路電壓法的電池電量計算方法

用開(kāi)路電壓法的電量計,其實(shí)現方法較容易,可借著(zhù)開(kāi)路電壓對應荷電狀態(tài)查表而得到。開(kāi)路電壓的假設條件是電池休息約超過(guò)30分鐘時(shí)的電池端電壓。

不同的負載,溫度,及電池老化情況下,電池電壓曲線(xiàn)也會(huì )有所不同。所以一個(gè)固定的開(kāi)路電壓表無(wú)法完全代表荷電狀態(tài);不能單靠查表來(lái)估計荷電狀態(tài)。換言之,荷電狀態(tài)若只靠查表來(lái)估計,誤差將會(huì )很大。

同樣的電池電壓分別在充放電之下,透過(guò)開(kāi)路電壓法所查得的荷電狀態(tài)差異很大。

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

放電時(shí)不同負載之下,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(gè)檢測電阻。ADC量測在檢測電阻上的電壓,轉換成電池正在充電或放電的電流值。實(shí)時(shí)計數器(RTC)則供應把該電流值對時(shí)間作積分,從而得知流過(guò)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(guò)程中實(shí)時(shí)的荷電狀態(tài)。藉由充電庫侖計數器和放電庫侖計數器,它可計算剩余電容量(RM)及完全充電容量(FCC)。同時(shí)也可用剩余電容量(RM)及完全充電容量(FCC)來(lái)計算出荷電狀態(tài),即(SOC=RM/FCC)。此外,它還可預估剩余時(shí)間,如電力耗竭(TTE)和電力充滿(mǎn)(TTF)。

剩余電容量(RM)及完全充電容量(FCC)

重要有兩個(gè)因素造成庫倫計量法準確度偏差。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(méi)有消除它的好方法,則此誤差會(huì )隨時(shí)間新增而新增。下圖顯示了在實(shí)際應用中,假如時(shí)間持續中的未有任何的修正,則累積的誤差是無(wú)上限的。

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

為消除累積誤差,在正常的電池操作中有三個(gè)可能可使用的時(shí)間點(diǎn):充電結束(EOC),放電結束(EOD)和休息(Relax)。充電結束條件達到表示電池已充滿(mǎn)電且荷電狀態(tài)(SOC)應為100%。放電結束條件則表示電池已完全放電,且荷電狀態(tài)(SOC)應該為0%;它可以是一個(gè)絕對的電壓值或者是隨負載而改變。達到休息狀態(tài)時(shí),則是電池旣沒(méi)有充電也沒(méi)有放電,而且保持這種狀態(tài)很長(cháng)一段時(shí)間。若使用者想用電池休息狀態(tài)來(lái)作庫侖計量法的誤差修正,則此時(shí)必須搭配開(kāi)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(huì )受到溫度,老化,負載等因素影響。所以,完全充電容量的再學(xué)習和補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(shí)荷電狀態(tài)誤差的趨勢現象

3、動(dòng)態(tài)電壓算法的電池電量計算方法

動(dòng)態(tài)電壓算法電量計僅根據電池電壓即可計算鋰離子電池的荷電狀態(tài)。此法是根據電池電壓和電池的開(kāi)路電壓之間的差值,來(lái)估計荷電狀態(tài)的遞增量或遞減量。動(dòng)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電池電壓和開(kāi)路電壓之間的動(dòng)態(tài)差異,借著(zhù)使用迭代算法來(lái)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(dòng)態(tài)電壓算法電量計不會(huì )隨時(shí)間和電流累積誤差。庫侖計量法電量計通常會(huì )因為電流感測誤差及電池自放電而造成荷電狀態(tài)估計不準。即使電流感測誤差非常小,庫侖計數器卻會(huì )持續累積誤差,而所累積的誤差只有在完全充電或完全放電才能消除。

動(dòng)態(tài)電壓算法電量計僅由電壓信息來(lái)估計電池的荷電狀態(tài);因為它不是由電池的電流信息來(lái)估計,所以不會(huì )累積誤差。若要提高荷電狀態(tài)的精確度,動(dòng)態(tài)電壓算法要用實(shí)際的裝置,根據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(xiàn)來(lái)調整出一優(yōu)化的算法的參數。

動(dòng)態(tài)電壓算法電量計

下面是動(dòng)態(tài)電壓算法在不同放電速率條件下,荷電狀態(tài)的表現。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(dòng)態(tài)電壓算法在不同放電速率條件下荷電狀態(tài)的表現

電池短充短放情況下荷電狀態(tài)的表現

相較于庫侖計量法電量計通常會(huì )因為電流感測誤差及電池自放電而造成荷電狀態(tài)的不準的情形,動(dòng)態(tài)電壓算法它不會(huì )隨時(shí)間和電流累積誤差,這是一個(gè)大優(yōu)點(diǎn)。因為沒(méi)有充/放電電流的信息,動(dòng)態(tài)電壓算法在短時(shí)間精確度上較差,且反應時(shí)間較慢。此外,它也無(wú)法估計完全充電容量。然而,它在長(cháng)期精確度上卻表現良好,因為電池電壓最終會(huì )直接反應它的荷電狀態(tài)。