什麽是電池電量計？

TIME: 2020-09-16 新聞資訊

電池管理可视为是电源管理的一部分。電池管理中,电量计是负责估计電池容量。其基本功能为监测电压,充电/放电电流和電池温度,并估计電池荷电状态(SOC)及電池的完全充电容量(FCC)。有两种典型估计電池荷电状态的方法:开路电压法(OCV)和庫侖計量法。另一种方法是由RICHTEK所设计的动态电压算法。

1、开路电压法的電池电量计算方法

用开路电压法的电量计,其实现方法较容易,可借着开路电压对应荷电状态查表而得到。开路电压的假设条件是電池休息约超过30分钟时的電池端电压。

不同的负载,温度,及電池老化情况下,電池电压曲线也会有所不同。所以一个固定的开路电压表无法完全代表荷电状态;不能单靠查表来估计荷电状态。换言之,荷电状态若只靠查表来估计,误差将会很大。

同样的電池电压分别在充放电之下,透过开路电压法所查得的荷电状态差异很大。

放電時不同負載之下,荷電狀態的差異也是很大。所以基本上,开路电压法只适合对荷电状态准确性要求低的系统,像汽车使用铅酸電池或不间断电源等。

放電時不同負載之下,荷電狀態的差異也是很大

2、庫侖計量法的電池电量计算方法

庫侖計量法的操作原理是在電池的充电/放电路径上的连接一个检测电阻。ADC量测在检测电阻上的电压,转换成電池正在充电或放电的电流值。实时计数器(RTC)则供应把该电流值对时间作积分,从而得知流过多少库伦。

庫侖計量法

庫侖計量法可精确计算出充电或放电过程中实时的荷电状态。藉由充电库仑计数器和放电库仑计数器,它可计算剩余電容量(RM)及完全充電容量(FCC)。同时也可用剩余電容量(RM)及完全充電容量(FCC)来计算出荷电状态,即(SOC=RM/FCC)。此外,它还可预估剩余时间,如电力耗竭(TTE)和电力充满(TTF)。

剩余電容量(RM)及完全充電容量(FCC)

重要有兩個因素造成庫倫計量法准確度偏差。第一是電流感測及ADC量測中偏移誤差的累積。雖然以目前的技術此量測的誤差還算小,但若沒有消除它的好方法,則此誤差會隨時間新增而新增。下圖顯示了在實際應用中,假如時間持續中的未有任何的修正,則累積的誤差是無上限的。

實際應用中,假如時間持續中的未有任何的修正,則累積的誤差是無上限的

为消除累积误差,在正常的電池操作中有三个可能可使用的时间点:充电结束(EOC),放电结束(EOD)和休息(Relax)。充电结束条件达到表示電池已充满电且荷电状态(SOC)应为100%。放电结束条件则表示電池已完全放电,且荷电状态(SOC)应该为0%;它可以是一个绝对的电压值或者是随负载而改变。达到休息状态时,则是電池旣没有充电也没有放电,而且保持这种状态很长一段时间。若使用者想用電池休息状态来作庫侖計量法的误差修正,则此时必须搭配开路电压表。下图显示了在上述状态下的荷电状态误差是可以被修正的。

荷電狀態誤差被修正

造成库伦计量法准确度偏差的第二重要因素是完全充电容量(FCC)误差,它是由電池设计容量的值和電池真正的完全充电容量的差异。完全充电容量(FCC)会受到温度,老化,负载等因素影响。所以,完全充电容量的再学习和补偿方法对庫侖計量法是非常关键重要的。

完全充電容量被高估和被低估時荷電狀態誤差的趨勢現象

3、动态电压算法的電池电量计算方法

動態電壓算法電量計仅根据電池电压即可计算锂离子電池的荷电状态。此法是根据電池电压和電池的开路电压之间的差值,来估计荷电状态的递增量或递减量。动态电压的信息可以有效地仿真锂离子電池的行为,进而决定荷电状态SOC(%),但此方法并不能估计電池容量值(mAh)。

它的计算方式是根据電池电压和开路电压之间的动态差异,借着使用迭代算法来计算每次新增或减少的荷电状态,以估计荷电状态。相较于庫侖計量法电量计的解决方法,動態電壓算法電量計不会随时间和电流累积误差。庫侖計量法电量计通常会因为电流感测误差及電池自放电而造成荷电状态估计不准。即使电流感测误差非常小,库仑计数器却会持续累积误差,而所累积的误差只有在完全充电或完全放电才能消除。

動態電壓算法電量計仅由电压信息来估计電池的荷电状态;因为它不是由電池的电流信息来估计,所以不会累积误差。若要提高荷电状态的精确度,动态电压算法要用实际的装置,根据它在完全充电和完全放电的情况下,由实际的電池电压曲线来调整出一优化的算法的参数。

動態電壓算法電量計

下面是動態電壓算法在不同放電速率條件下,荷電狀態的表現。由圖可知,它的荷電狀態精確度良好。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誤差都小于3%。

動態電壓算法在不同放電速率條件下荷電狀態的表現

電池短充短放情况下荷电状态的表现

相较于庫侖計量法电量计通常会因为电流感测误差及電池自放电而造成荷电状态的不准的情形,动态电压算法它不会随时间和电流累积误差,这是一个大优点。因为没有充/放电电流的信息,动态电压算法在短时间精确度上较差,且反应时间较慢。此外,它也无法估计完全充电容量。然而,它在长期精确度上却表现良好,因为電池电压最终会直接反应它的荷电状态。

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