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计算电池剩余容量的常用方法

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作者

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optimumchina

发表时间

:2010-10-13

本 文将讨论尽可能精确计算剩余电池电量的重要性。

令人遗憾的是，

仅通过测量某些数据点甚至

是电池电压无法达到上述目的。

温 度、

放电速率以及电池老化等众多因素都会影响充电状态。

本< /p>

文将集中讨论一种专利技术，该技术能够帮助设计人员测量锂电池的充电状态以及剩余电量 。

现有的电池电量监测方法

< /p>

目前人们主要使用两种监测方法：一种方法以电流积分

(curr ent integration)

为基础；而另一种则

以电压 测量为基础。前者依据一种稳健的思想，即如果对所有电池的充、

放电流进行积分，

就可

以得出剩余电量的大小。

当电池刚充好 电并且已知是完全充电时，

使用电流积分方法效果非常好。

这种 方法被成功地运用于当今众多的电池电量监测过程中。

但是 该方法有其自身的弱点，

特别是在电池长期不工作的使用模式下。

如果电池在充电后几天都

未使用，

或者几个充、

放电周期都没有充满电，

那么由内部化学反应引起的自放电现象就会变得

非常明显。

目前尚无方法可以测量自放电，

所以必须使用一个预定义的方程式对其进行校正。

不

同的电池模 型有不同的自放电速度，这取决于充电状态

(SOC)

、温度以 及电池的充放电循环历史

等因素。

创建自放电的精确模型需要花 费相当长的时间进行数据搜集，

即便这样仍不能保证结果

的准确 性。

该方法还存在另外一个问题，

那就是只有在完全充电后立即完全放电，

才能够更新总电量值。

如

果在电池寿命期内进行完全放电的次数很少，

那么在电量监测 计更新实际电量值以前，

电池的真

实容量可能已经开始大幅下降 。

这会导致监测计在这些周期内对可用电量做出过高估计。

即使 电

池电量在给定温度和放电速度下进行了最新的更新，

可用电量 仍然会随放电速度以及温度的改变

而发生变化。

以电压为基础的方法属于最早应用的方法之一，

它仅需测量电池两级间的电压。

该方法基于电池

电压 和剩余电量之间存在的某种已知关系。它看似直接，但却存在难点：

在测量期间，

只有在不

施加任何负载的情况下，才存在这种电池电压与电量之间的简 单关联。当施加负载时

(

这种情况

发生 在用户对电量感兴趣的多数情况下

)

，电池电压就会因为电池内 部阻抗所引起的压降而产生

失真。此外，即使去掉了负载，发生在电池内部的张持过程< /p>

(relaxation processe)

也会在数小时内< /p>

造成电压的连续变化。

由于多种原因的存在，

基于电池阻抗知识的压降校正方法仍存在问题，

本

文会在稍 后讨论这些原因。

电池化学反应及电压响应

电池本身 复杂的电化学反应导致其瞬态电压响应。图

1a

显示了从锂离子 电池的电极开始的电荷

转移基本步骤

(

其它电池的步骤与其类似

)

。

电荷必须首先以电子的形式穿越储存能量的电化学活性材料

(

阳极或阴极

)

，

在到 达粒子表面后以

离子的形式存储于电解液中。这些化学步骤与电池电压响应的时间常数相 关。图

1b

显示了电池

的阻抗范围， 时间常数的范围从数毫秒到数小时不等。

在时域中，

这意味着施加负载后，

电池电压将随时间的推移以不同速率逐渐降低，

并且在去除负

载后逐渐升高。图

2

显示了在不同的充电状态下，对锂离子电池施加负载后的电压张弛情况。

考虑到基于电压的电池电量监测会产生误差，我们假定可以通过减去