1.锂离子电池介绍1.1充电状态(State-Of-Charge；SOC)充电状态可定义为电池中可用电能的状态，通常用百分比表示。因为可用的电能将受到充电和放电电流的影响，以及温度和老化现象，所

1. 锂离子电池介绍

1.1 充电状态 (State-Of-Charge；SOC)

充电状态可定义为电池中可用电能的状态，通常用百分比表示。因为可用的电能将受到充电和放电电流的影响，以及温度和老化现象，所以充电状态的定义也区分为两种：绝对充电状态(Absolute State-Of-Charge；ASOC)及相对充电状态(Relative State-Of-Charge；RSOC)。通常相对充电状态的范围是 0% - 100%，当电池充满电时，它是 100%，完全卸载时是0%。绝对充电状态则是一个当电池制造完成时，根据设计的固定容量值计算的参考值。一个全新充满电电池的绝对充电状态是100%；即使老化的电池充满电，在不同的充放电条件下都达不到100%。

下图显示了不同放电率下电压与电池容量的关系。放电率越高，电池容量越低。在低温下，电池容量也会下降。

图一、不同放电速率和温度下电压与容量的关系

1.2 最大充电电压 (Max Charging Voltage)

最大充电电压和电池的化学成分与特性有关。锂电池的充电电压通常为4.2V 和 4.35V，如果阴极、阳极材料的电压值不同也会不同。

1.3 充满电 (Fully Charged)

当电池电压与最大充电电压差小于100mV，且充电电流减小到C/10，电池可视为充满电。不同的电池特性，充满电条件也有所不同。

下图是典型锂电池的充电特性曲线。当电池电压等于最大充电电压，且充电电流减小到C/10，电池即视为充满电。

图二、锂电池充电特性曲线

1.4 最小放电电压 (Mini Discharging Voltage)

最小放电电压可用截止放电电压来定义，通常即是充电状态为0%当电压。该电压值不是固定值，但是有了负荷、温度、年龄或其他变化。

1.5 完全卸载 (Fully Discharge)

当电池电压小于或等于最小放电电压时，可称为完全卸载。

1.6 充放电速率 (C-Rate)

充放电速率是充放电电流相对于电池容量的一种表示。例如，若用1C放电一小时后，理想的话，电池就会完全卸载。不同充放电速率会造成不同的可用容量。通常，充放电速率愈大，可用容量越小。

1.7 循环寿命

循环次数是电池经历完全充电和放电的次数，可以通过实际泄流能力和设计泄流能力来估算。每当累积放电容量等于设计容量时，那么循环次数就是一次。通常在500在第二次充电和放电循环后，充满电的电池容量约会下降10% ~ 20%。

图三、循环次数和电池容量之间的关系

1.8 自放电 (Self-Discharge)

所有电池的自放电都会随着温度的升高而增加。自放电基本不是制造缺陷，而是电池本身特性。但是制造过程中处理不当也会造成自放电的增加。通常，每当电池温度升高时10°C，自放电率加倍。锂离子电池的自放电量约为1~2%，而且各种镍电池都是月供10~15%自放电量。

图四、不同温度下锂电池自放电率的性能

2. 电池表介绍

2.1 电表功能简介

电池管理可视为电源管理的一部分。在电池管理中，电表负责估算电池容量。它的基本功能是监控电压，充电/放电电流和电池温度，并估计电池充电状态(SOC)及电池的充满电容量（FCC）。有两种典型估计电池充电状态的方法：开路电压法（OCV）和库仑计量法。另一种方法是通过RICHTEK所设计的动态电压算法。

2.2 开路电压法

采用开路电压法的电表，其实现方法简单易行，可借着开路电压对应充电状态查表而得到。开路电压的假设是，电池将休息大约超过30电池端电压(分钟)。

不同负载，温度，和电池老化，电池电压曲线也会不同。所以一个固定的开路电压表无法完全代表充电状态；不能单靠查表来估计充电状态。换言之，充电状态若只靠查表来估计，误差会很大。

下图分别显示了充电和放电情况下相同的电池电压，透过开路电压法所查得的充电状态差异很大。

图五、充、放电条件下的电池电压

下图显示了，在不同的负载下放电，充电状态的差异也是很大。所以基本上，开路电压法只适合对充电状态准确性要求低的系统，比如使用铅酸电池或不间断电源的汽车。

图六、在不同的负载下放电的电池电压

2.3 电量测定法

电量测定法的操作原理是在电池的充电/检测电阻器连接到放电路径。ADC测量检测电阻器上的电压，转换成电池正在充电或放电的电流值。实时计数器（RTC）提供了当前值与时间的积分，从而知道有多少库仑流过。

图七、库仑法的基本工作模式

电量测定法可精确计算出充电或放电过程中实时的充电状态。通过充电库仑计数器和放电库仑计数器，它可以计算剩余电容 (RM)及充满电容量(FCC)。同时，剩余的电容也可以使用(RM) 及充满电容量 (FCC) 来计算出充电状态，即 (SOC = RM / FCC)。此外，它还可以估计剩余时间，比如电量耗尽(TTE)而且充满了电(TTF)。

图八、库仑法的计算公式

造成库仑法准确度偏差的主要因素有两个。第一个是电流检测ADC测量中失调误差的累积。尽管利用当前的技术这种测量的误差仍然很小，但是如果没有好的方法消除它，这个误差会随着时间而增加。下图显示了在实际应用中，如果在持续时间内没有校正，累积误差没有上限。

图九、库仑法的累积误差

为了消除累积误差，在正常电池操作中有三个可能的时间点：充电结束（EOC），放电结束（EOD）和休息（Relax）。充电结束条件达到表示电池已充满电且充电状态（SOC）应为100%。放电结束条件则表示电池已完全卸载，且充电状态(SOC)应该为0％；它可以是绝对电压值，也可以随负载而变化。当达到静止状态时，那么电池既不充电也不放电，并且长时间保持这种状态。若使用者想用电池休息状态来作电量测定法的误差修正，这时候就必须配备开路电压表。下图显示了在上述状态下的充电状态误差是可以被修正的。

图十、消除电量测定法累积误差的条件

造成库伦计量法准确度偏差的第二主要因素是充满电容量(FCC)误差，它是由电池设计容量的值和电池真正的充满电容量的差异。充满电容量(FCC) 会受到温度的影响，老化，负荷等因素。所以，充满电容量的再学习和补偿方法对电量测定法是非常关键重要的。下图显示了当充满电容量被高估和被低估时，充电状态误差趋势现象。

图十一、充满电容量被高估和被低估时，误差趋势

2.4 动态电压算法电表

动态电压算法电表仅根据电池电压即可计算锂电池的充电状态。该方法基于电池电压和电池开路电压之间的差异，来估计充电状态的递增量或递减量。动态电压信息可以有效地模拟锂电池的行为，进而决定充电状态SOC(%)，但这种方法无法估算电池容量（mAh）。

其计算方法是基于电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增加或减少的充电状态，以估计充电状态。相较于电量测定法电量计的解决方案，动态电压算法电表不会随时间和电流累积误差。电量测定法电量计通常会因为电流感测误差及电池自放电而造成充电状态估计不准。即使电流感测误差非常小，库仑计数器将继续累积误差，而所累积的误差只有在充满电或完全卸载才能消除。

动态电压算法电表仅由电压信息来估计电池的充电状态；因为不是靠电池的电流信息来估计的，因此，误差不会累积。若要提高充电状态的精确度，动态电压算法需要实用的器件，根据它在充满电和完全卸载的情况下，通过实际电池电压曲线来调整优化算法的参数。

图十二、动态电压算法电表和增益优化的表现

以下是不同放电率下的动态电压算法，充电状态的表现。该图显示，它的充电状态精确度良好。无论是在C/2，C/4，C/7和C/10在同等放电条件下，此法整体的充电状态误差都小于3％。

图十三、在不同的放电速率下，动态电压算法的充电状态的表现

下图显示电池充电不足，放电不足，充电状态的表现。充电状态误差仍然很小，最大误差只有3%。

图十四、在电池短时充电和短时放电的情况下，动态电压算法的充电状态的表现

相较于电量测定法电量计通常会因为电流感测误差及电池自放电而造成充电状态的不准的情形，动态电压算法不会随着时间和电流累积误差，这是一个很大的优势。因为不收费/放电电流信息，动态电压算法短期精度差，并且反应时间慢。此外，它也无法估计充满电容量。然而，它在长期准确性方面表现良好，因为电池电压最终会直接反应它的充电状态。

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