電池電量監(jiān)測基礎(chǔ)知識PPT

電池電量監(jiān)測基礎(chǔ)知識1什么是電池電量監(jiān)測技術(shù)?電池電量監(jiān)測是一種用于在所有的系統(tǒng)運(yùn)行及空閑情況下預(yù)測電池容量的技術(shù)。電池容量百分比至電量耗盡/充滿的時(shí)間毫安時(shí)(mAh)瓦時(shí)(Wh)通話時(shí)間、閑置時(shí)間，等可獲得用于反映電池健康狀況及安全診斷的其他數(shù)據(jù)。健康狀態(tài)滿充電容量73%運(yùn)行時(shí)間6:23概要電池化學(xué)成分基本知識傳統(tǒng)的電池電量監(jiān)測方法基于電壓庫侖計(jì)數(shù)阻抗跟蹤技術(shù)及其優(yōu)勢電池電量監(jiān)測基礎(chǔ)知識

第一部分：電池化學(xué)成分基本知識4鋰離子電池放電曲線：最優(yōu)運(yùn)行時(shí)間隨著放電速率、溫度和老化情況改變關(guān)斷電壓可提供盡可能長的運(yùn)行時(shí)間電池化學(xué)容量QmaxEDV=每節(jié)電池3.0VQmax

電池容量(Qmax)：在達(dá)到放電終止電壓(EDV)之前可從滿充電電池提取的

電荷量。EDV是應(yīng)用或電池化學(xué)成分可接受的最小電壓。負(fù)載電流：<0.1CCBATRBAT電池容量：1C放電速率1C：在一小時(shí)內(nèi)將一節(jié)電池完全放電所需的電流示例：2200mAh電池，

1C放電速率：2200mA，1小時(shí)0.5C速率：1100mA，2小時(shí)3.6V(電池額定電壓)12345603.03.54.04.5容量，Ah電壓，V4.23.63.02.4電池電壓(V)開路電壓(OCV)EDVQmaxI?RBATQuse放電電流較高時(shí)將更早地達(dá)到EDV?？捎萌萘縌use<QmaxRBATOCV+-I+-V=OCV

-I*RBAT可用容量QuseQmaxQuse電池電阻?阻抗=f(T,SOC和老化)電阻在100次充放電之后將增加一倍電池之間的電阻偏差為10-15%不同制造商的電池電阻偏差可達(dá)10-15%電荷狀態(tài)(SOC)4.23.63.02.4電池電壓(V)OCVEDVQmaxQ狀態(tài)A對于滿充電電池，SOC=1(DOD=0)

對于完全放電電池，SOC=0(DOD=1)

阻抗在很大程度上取決于溫度、電荷狀態(tài)及老化

阻抗與溫度和DOD有關(guān)完全放電滿充電DOD=1-SOC(電荷狀態(tài))SOC=1(滿充電電池)SOC=0(完全放電電池)SOC：電荷狀態(tài)DOD：放電深度阻抗和容量隨老化而改變在100次充電之后化學(xué)容量減少3-5%電池阻抗隨老化而增加阻抗在100次充電之后幾乎增加一倍。020406080100電池容量%4.23.923.633.353.072.782.50電池電壓(V)第1次充電第100次充電Rbat新電池的阻抗差異低頻(1mHz)阻抗偏差為15%在1C速率放電、40-mV壓差下，會引起±26%的最大SOC誤差00.0620.0840.110.130.15R(Z)--Im(Z)-0.050.02501mHz1kHz制造商11mHz1kHz00.0420.0640.0860.110.13R(Z)--Im(Z)-0.050.0250制造商2LC1RSERRhfR1R2C2I?RBAT4.23.63.02.4電池電壓(V)OCVEDVQmax狀態(tài)ARM1RM2電池剩余容量(RM)RM在不同的放電速率下是不一樣的。RM：從當(dāng)前狀態(tài)至EDV的電池容量電池化學(xué)成分概要Qmax=電池化學(xué)容量(無負(fù)載)Quse=可用容量(與負(fù)載有關(guān))電池電阻和負(fù)載產(chǎn)生I-R壓降SOC=電荷狀態(tài)(%，取決于OCV)RM=剩余容量(取決于負(fù)載)電池老化會影響阻抗和容量電池電量監(jiān)測基礎(chǔ)知識

第二部分：傳統(tǒng)的電池電量監(jiān)測方法15目標(biāo)：充分利用可用的電池容量+0%20%40%60%80%100%容量充電電壓容差由于電量監(jiān)測不準(zhǔn)確所導(dǎo)致的關(guān)斷不確定性

可用容量實(shí)際上也許只用了80-90%！

高準(zhǔn)確度的電量監(jiān)測可延長電池的運(yùn)行時(shí)間實(shí)際的有效容量PACK-電池包TS保護(hù)器電量監(jiān)測計(jì)PACK+I2C/HDQ主機(jī)處理器TIOMAP電源管理GPIO傳統(tǒng)的電池包側(cè)電量監(jiān)測計(jì)產(chǎn)品示例：BQ27541BQ27545BQ27741BQ27741BQ28z560主機(jī)微處理器TIOMAP電源管理GPIO電量監(jiān)測計(jì)便攜式設(shè)備PACK-PACK+TS電池包保護(hù)器系統(tǒng)側(cè)阻抗跟蹤電量監(jiān)測計(jì)產(chǎn)品示例：BQ28z550BQ27510BQ27520BQ27435BQ27421BQ27441BQ27410電量監(jiān)測計(jì)有哪些功能呢？電池與用戶之間的通信測量：電池電壓充電或放電電流溫度提供：電池運(yùn)行時(shí)間和剩余容量電池健康狀況信息總體電池電源管理（工作模式）如何實(shí)現(xiàn)電量監(jiān)測計(jì)?基于電壓：SOC=f(VBAT)庫侖計(jì)數(shù)：

阻抗跟蹤：實(shí)時(shí)電阻測量?基于電壓的電量監(jiān)測計(jì)4.23.43.0電池電壓(V)開路電壓(OCV)EDV電池容量QmaxQuse3.8

應(yīng)用：低端蜂窩電話、數(shù)碼相機(jī)(DSC)…

脈動(dòng)的負(fù)載會導(dǎo)致電池容量指示條上下浮動(dòng)

僅在非常低的電流下準(zhǔn)確I?RBAT電池電阻

阻抗=f(溫度,電荷狀態(tài),和老化)電阻在100次充放電之后將增加一倍電池之間的電阻偏差為10-15%不同制造商的電池電阻偏差可達(dá)10-15%?阻抗在很大程度上取決于溫度、電荷狀態(tài)及老化阻抗與溫度和DOD有關(guān)完全放電滿充電DOD=1-SOC(電荷狀態(tài))SOC=1(滿充電電池)SOC=0(完全放電電池)SOC：電荷狀態(tài)DOD：放電深度新電池的阻抗差異低頻(1mHz)阻抗偏差為15%在1C速率放電、40-mV壓差下，會引起±26%的最大SOC誤差00.0620.0840.110.130.15R(Z)--Im(Z)-0.050.02501mHz1kHz制造商11mHz1kHz00.0420.0640.0860.110.13R(Z)--Im(Z)-0.050.0250制造商2LC1RSERRhfR1R2C2*兩項(xiàng)測試均采用C/3放電速率電流完全弛豫需要大約2000秒的時(shí)間在不同的時(shí)刻具有不同的電壓20至3000秒之間的電壓差異超過20mV電池–瞬態(tài)響應(yīng)3.8303.8553.8803.90501000200030004000時(shí)間（秒）電池電壓(V)LC1RSERRhfR1R2C20500100015002000250030003500

時(shí)間（秒）3.2503.2753.3003.325電池電壓(V)負(fù)載移除負(fù)載移除

電壓弛豫和電荷狀態(tài)誤差±20mV壓差誤差取決于估計(jì)時(shí)刻的特定電壓最大誤差達(dá)到15%，平均誤差為5%3.23.453.73.954.3100500-50SOC%電池單元電壓(V)SOC%誤差3.23.453.73.954.3電池單元電壓(V)20100-10-20基于電壓之電量監(jiān)測的SOC誤差新電池的誤差誤差隨老化的演變情況1511.257.53.750020406080100SOC%SOC誤差%20-mV弛豫測量誤差15%的電池間電阻容差

每充電100

次電池的電阻將增加一倍SOC誤差%020406080100SOC%1007550250?優(yōu)勢無需完全放電就能進(jìn)行學(xué)習(xí)自放電無需校正在小負(fù)載電流條件下非常準(zhǔn)確劣勢由于內(nèi)部電池阻抗的原因，準(zhǔn)確度欠佳阻抗與溫度、老化和電荷狀態(tài)之間存在函數(shù)關(guān)系基于電壓的電量監(jiān)測計(jì)電池處于滿充電狀態(tài)在放電過程中容量被積分每次發(fā)生完全放電時(shí)Qmax

都被更新基于庫侖計(jì)數(shù)的電量監(jiān)測EDV：放電終止電壓Q01234563.03.54.04.5容量，Ah鋰離子電池單元電壓EDVQmax0.2C放電速率產(chǎn)品示例：BQ27010、BQ27210

基于庫侖計(jì)數(shù)的電量監(jiān)測

產(chǎn)品示例：BQ27010、BQ27210BQ27010：/product/cn/bq27010BQ27210：

/product/cn/bq27210在完全放電之前進(jìn)行學(xué)習(xí)當(dāng)達(dá)到0%容量時(shí)再學(xué)習(xí)就太遲了針對給定的剩余容量百分比來設(shè)定電壓門限7%、3%剩余容量時(shí)的真實(shí)電壓取決于電流、溫度和阻抗012345633.544.5電壓(V)EDV00%3%7%EDV1EDV2容量Q(Ah)012345633.544.5電壓(V)7%CEDV2(I1)容量Q(Ah)經(jīng)補(bǔ)償?shù)姆烹娊K止電壓(CEDV)CEDV=OCV(T,SOC)-I*R(T,SOC)30%CEDV2(I2)7%

建模：R(SOC,T)，適用于新電池

計(jì)算任意電流(I)和溫度(T)條件下的CEDV2(7%)和CEDV1(3%)門限

對于老化的電池則不準(zhǔn)確產(chǎn)品示例：BQ3060電池管理產(chǎn)品—電池電量檢測-BQ3060BQ3060/product/cn/bq3060參數(shù)基于庫侖計(jì)數(shù)的電量監(jiān)測?與老化相關(guān)的主要參數(shù)：阻抗優(yōu)勢不受電壓測量失真的影響準(zhǔn)確度由電流積分硬件確定監(jiān)測誤差：3-10%（取決于工作條件和用途）劣勢需要學(xué)習(xí)周期以更新Qmax

電池容量隨老化而下降Qmax減少幅度：3-5%（100次充電）在不學(xué)習(xí)的情況下，每充電10次監(jiān)測誤差將增加1%自放電必須建模：不準(zhǔn)確

在沒有負(fù)載的情況下（弛豫）可從OCV實(shí)現(xiàn)非常準(zhǔn)確的電量監(jiān)測對于典型電量監(jiān)測計(jì)的優(yōu)勢4.23.63.02.4電池電壓(V)開路電壓(OCV)EDV電池容量QmaxI?RBATQuse

在有負(fù)載的情況下，可利用庫侖計(jì)數(shù)實(shí)現(xiàn)非常準(zhǔn)確的監(jiān)測電池管理產(chǎn)品—電池電量檢測-BQ3060BQ3060/product/cn/bq3060BQ2084/product/cn/bq2084-v140問題考察4.23.63.02.4電池電壓(V)開路電壓(OCV)EDV電池容量QmaxI?RBATQuse

基于電壓的電量監(jiān)測計(jì)：V=OCV(T,SOC)-IR(T,SOC,老化)

電流積分電量監(jiān)測計(jì)：CEDV=OCV(T,SOC)-IR(T,SOC,老化)問題：電池阻抗電池電量監(jiān)測基礎(chǔ)知識

第三部分：阻抗跟蹤技術(shù)的優(yōu)勢38基于電壓的電量監(jiān)測：可在無負(fù)載條件下提供準(zhǔn)確的監(jiān)測基于庫侖計(jì)數(shù)的電量監(jiān)測：可在有負(fù)載條件下提供準(zhǔn)確的監(jiān)測整合了基于電壓和基于電流之監(jiān)測方法的優(yōu)勢實(shí)時(shí)阻抗測量采用開路電壓和阻抗信息來計(jì)算給定平均負(fù)載條件下的剩余運(yùn)行時(shí)間。

ImpedanceTrackTM

電量監(jiān)測V=OCV(T,SOC)-

I*R(T,SOC,Aging)對于所有被測試制造商的產(chǎn)品，OCV曲線皆很相似大多數(shù)的電壓偏移<5mV平均SOC預(yù)測誤差<1.5%對于來自不同制造商的同種化學(xué)成分電池，可以使用相同的數(shù)據(jù)庫OCV=f(SOC,T)曲線的比較500SOC%155-5-15電壓偏移(mV)1007550250SOC誤差%41.33-1.33-41007550250SOC%4.23.933.673.4開路電壓(OCV)曲線怎樣測量OCV?OCV測量允許SOC具有0.1%的最大誤差取消了自放電估測電池電壓(V)00.51.01.52.02.5時(shí)間（小時(shí)）4.24.14.03.93.83.7系統(tǒng)接通系統(tǒng)接通系統(tǒng)關(guān)斷怎樣測量阻抗?數(shù)據(jù)閃存包含一個(gè)固定的表格：OCV=f(SOC,T)IT算法：充電和放電期間的實(shí)時(shí)測量和計(jì)算。1007550250SOC%4.23.933.673.4開路電壓曲線OCVVBATIRBATV=OCV(T,SOC)-

I*R(T,SOC,老化)對于傳統(tǒng)電池容量學(xué)習(xí)的問題+裝運(yùn)完全放電+完全充電+半放電

需要采用許多的測試設(shè)備并花費(fèi)大量的時(shí)間。

用戶有可能永遠(yuǎn)無法實(shí)現(xiàn)電池的完全放電以學(xué)習(xí)容量。

在不學(xué)習(xí)的情況下，每充電10次監(jiān)測誤差就將增加1%。傳遞的電荷數(shù)量由精確的庫侖計(jì)數(shù)來確定SOC1和SOC2利用其OCV進(jìn)行測量這種方法適用于充電或放電過程在未完全放電的情況下學(xué)習(xí)QmaxQ電池電壓(V)00.51.01.52.02.53.0時(shí)間（小時(shí)）4.24.14.03.93.8P1P2充電的起點(diǎn)測量點(diǎn)OCV00.51.01.52.02.53.0時(shí)間（小時(shí)）QP2P1放電的起點(diǎn)測量點(diǎn)OCV.current........電阻更新總?cè)萘扛码娏鞣e分積分模式與相關(guān)模式之間的合作放電弛豫充電電流積分電壓相關(guān)SOC

更新阻抗跟蹤電量監(jiān)測計(jì)優(yōu)點(diǎn)整合了基于電壓和庫侖計(jì)數(shù)這兩種電量監(jiān)測方法各自的優(yōu)勢在小電流(OCV)和大負(fù)載電流時(shí)均可提供準(zhǔn)確監(jiān)測棄用不準(zhǔn)確的自放電模型（采用OCV讀?。τ谛码姵睾屠匣姵乜商峁┓浅?zhǔn)確的電量監(jiān)測容量學(xué)習(xí)無需滿充電和完全放電產(chǎn)品示例：BQ

27510/product/cn/bq27510-g2

BQ27541/product/cn/bq27541-g1電量監(jiān)測的好處可準(zhǔn)確地報(bào)告電池的剩余運(yùn)行時(shí)間可提供更好的電源管理可獲得更長的電池運(yùn)行時(shí)間電源管理準(zhǔn)確度：關(guān)斷所需的保護(hù)間隔較小可根據(jù)阻抗隨溫度、放電速率和老化情況改變關(guān)斷電壓按序關(guān)斷

當(dāng)電池失效時(shí)可利用儲備能量自動(dòng)地將數(shù)據(jù)保存至閃存電量監(jiān)測可實(shí)現(xiàn)移動(dòng)應(yīng)用運(yùn)行時(shí)間比較示例

ImpedanceTrackTM

監(jiān)測計(jì)關(guān)斷與OCV關(guān)斷點(diǎn)的比較

不具備準(zhǔn)確監(jiān)測計(jì)的系統(tǒng)簡單地在某個(gè)固定電壓下關(guān)斷智能手機(jī)、平板電腦、便攜式醫(yī)療、數(shù)碼相機(jī)等需要備用電池能量來完成關(guān)斷任務(wù)許多設(shè)備都在3.5V或3.6V時(shí)關(guān)斷，以顧及備用容量最差的情況在此比較當(dāng)中使用的是3.5V關(guān)斷監(jiān)測計(jì)將計(jì)算剩余容量并改變關(guān)斷電壓，直到在所有情況下均確切地留有備用容量為止。使用10mAH備用容量電池的溫度和老化狀況是變化的電量監(jiān)測

OCV與IT用例經(jīng)驗(yàn)值的比較–帶可變混合負(fù)載的新電池條件：新電池室溫(25°C)10mAh備用容量(用于關(guān)斷)運(yùn)行時(shí)間（分鐘）電壓ImpedanceTrackTM監(jiān)測計(jì)

關(guān)斷（在3.295V）

168分鐘運(yùn)行時(shí)間采用TI監(jiān)測計(jì)使運(yùn)行時(shí)間延長了：+40%OCV關(guān)斷（在3.5V）

120分鐘運(yùn)行時(shí)間電量監(jiān)測

OCV與IT用例經(jīng)驗(yàn)值的比較–帶可變混合負(fù)載的舊電池條件室溫(25°C)10mAh備用容量（用于關(guān)斷）運(yùn)行時(shí)間（分鐘）電壓ImpedanceTrackTM監(jiān)測計(jì)關(guān)斷（在3.144V）

142分鐘運(yùn)行時(shí)間OCV關(guān)斷（在3.5V）

90分鐘運(yùn)行時(shí)間采用TI監(jiān)測計(jì)使運(yùn)行時(shí)間延長了：+58%電量監(jiān)測

OCV與IT用例經(jīng)驗(yàn)值的比較–低溫條件下帶可變混合負(fù)載的新電池運(yùn)行時(shí)間（分鐘）電壓ImpedanceTrackTM監(jiān)測計(jì)關(guān)斷（在3.020V）

117分鐘運(yùn)行時(shí)間OCV關(guān)斷（在3.5V）

53分鐘運(yùn)行時(shí)間條件

電池低溫(0°C)10mAh備用容量（用于關(guān)斷）采用TI監(jiān)測計(jì)使運(yùn)行時(shí)間延長了：+121%條件

(0°C)低溫(0°C)10mAh備用容量（用于關(guān)斷）運(yùn)行時(shí)間（分鐘）電壓監(jiān)測計(jì)關(guān)斷（在3.061V）：

82分鐘運(yùn)行時(shí)間OCV關(guān)斷（在3.5V）

21分鐘運(yùn)行時(shí)間采用TI監(jiān)測計(jì)使運(yùn)行時(shí)間延長了：+290%電量監(jiān)測

OCV與IT用例經(jīng)驗(yàn)值的比較–低溫條件下帶可變混合負(fù)載的舊電池電量監(jiān)測–ImpedanceTrackTM

技術(shù)的優(yōu)勢動(dòng)態(tài)（學(xué)習(xí)）能力應(yīng)用中的溫度可變性IT考慮到了由于溫度的上升/下降所引起的電池阻抗變化IT引入了熱模擬以針對自發(fā)熱進(jìn)行調(diào)節(jié)負(fù)載變化IT將跟蹤由于高負(fù)載尖峰所引起的電壓降老化電池IT擁有針對因電池老化所致的可用容量變化進(jìn)行調(diào)節(jié)的能力延長運(yùn)行時(shí)間借助基于IT的監(jiān)測計(jì)可采用較低的終止電壓靈活性電池特性分析主機(jī)系統(tǒng)無需執(zhí)行任何計(jì)算或監(jiān)測算法未得到使用的電池容量的含義

電池成本：每100mAh容量的平均成本為0.15美元較低的終止電壓(TV)=較大的電池容量對于新電池，TV降低500mV可增加大約5%的容量→就1500mAh電池而言節(jié)省了約0.10美元對于老化電池，TV降低500mV可增加大約50%的容量→可節(jié)省約1.00美元（就1500mAh電池而言）并延長運(yùn)行時(shí)間！為制造商提供了節(jié)省成本的機(jī)會，同時(shí)還延長了最終用戶的電池運(yùn)行時(shí)間由于監(jiān)測不準(zhǔn)確而造成的損失假設(shè)客戶每天進(jìn)行一次充放電→3個(gè)月的使用時(shí)間=90天，大約充電90次→電池內(nèi)部阻抗幾乎增加一倍→出現(xiàn)電池老化的情況未采用阻抗跟蹤的監(jiān)測計(jì)→由于電池逐步老化的原因而產(chǎn)生了不準(zhǔn)確的監(jiān)測結(jié)果→短得多的運(yùn)行時(shí)間乃至發(fā)生系統(tǒng)崩潰運(yùn)營商的電池質(zhì)保期可能為一年甚至兩年?？蛻粲捎诠收媳O(jiān)測結(jié)果的緣故而將整部設(shè)備退貨→質(zhì)保期內(nèi)的退貨將使公司蒙受經(jīng)濟(jì)損失基于阻抗跟蹤的監(jiān)測計(jì)能夠延長電池運(yùn)行時(shí)間，并避免發(fā)生因故障監(jiān)測結(jié)果所致的一些代價(jià)高昂的退貨總結(jié)就便攜式電子產(chǎn)品而言，準(zhǔn)確的監(jiān)測計(jì)對于獲得長運(yùn)行時(shí)間的重要性絲毫不亞于降低設(shè)計(jì)方案的功耗及采用強(qiáng)健的電池?？捎玫碾娏勘O(jiān)測計(jì)有很多種，它們采用了不同的監(jiān)測方法和不同的折衷方案。備用幻燈片：

阻抗跟蹤參考單節(jié)電池阻抗跟蹤(IT)

基本術(shù)語和關(guān)系OCV–開路電壓Qmax–最大電池化學(xué)容量（SOC1/SOC2

在OCV1/OCV2測量之后利用

OCV

表實(shí)現(xiàn)相互關(guān)聯(lián)）SOC–電荷狀態(tài)

（*從滿充電狀態(tài)）RM–剩余容量

（SOCstart

是當(dāng)前的

SOC，SOCfinal

是系統(tǒng)終止電壓下的

SOC）FCC–滿充電容量指的是以某一給定的放電速率從滿充電狀態(tài)直至達(dá)到系統(tǒng)終止電壓的電荷傳遞量FCC=Qstart+PassedQ+