浅析锂离子电池充放电理论及电量计算法设计

荷电状态可含义为电池中可用电能的状态，通常以百分比来表示。因为可用电能会因充放电电流，温度及老化现象而有不同，所以荷电状态的含义也区分为两种：绝对荷电状态(AbsoluteState-Of-Charge;ASOC)及相对荷电状态(RelativeState-Of-Charge;RSOC)。通常相对荷电状态的范围是0%-100%，而电池完全充电时是100%，完全放电时是0%。绝对荷电状态则是一个当电池制造完成时，根据所设计的固定容量值所计算出来的的参考值。一个全新完全充电电池的绝对荷电状态是100%;而老化的电池即便完全充电，在不同充放电情况中也无法到100%。

1.2最高充电电压(MaxChargingVoltage)

最高充电电压和电池的化学成分与特性有关。锂离子电池的充电电压通常是4.2V和4.35V，而若阴极、阳极材料不同电压值也会有所不同。

1.3完全充电(FullyCharged)

当电池电压与最高充电电压差小于100mV，且充电电流降低至C/10，电池可视为完全充电。电池特性不同，完全充电条件也有所不同。

下图所显示为一典型的锂离子电池充电特性曲线。当电池电压等于最高充电电压，且充电电流降低至C/10，电池即视为完全充电。

1.4最低放电电压(MiniDischargingVoltage)

最低放电电压可用截止放电电压来含义，通常即是荷电状态为0%时的电压。此电压值不是一固定值，而是随着负载、温度、老化程度或其他而改变。

1.5完全放电(FullyDischarge)

当电池电压小于或等于最低放电电压时，可称为完全放电。

1.6充放电率(C-Rate)

充放电率是充放电电流相关于电池容量的一种表示。例如，若用1C来放电一小时之后，理想的话，电池就会完全放电。不同充放电率会造成不同的可用容量。通常，充放电率愈大，可用容量愈小。

1.7循环寿命

循环次数是当一个电池所经历完整充放电的次数，是可由实际放电容量与设计容量来估计。每当累积的放电容量等于设计容量时，则循环次数一次。通常在500次充放电循环后，完全充电的电池容量约会下降10%~20%。

图三、循环次数与电池容量的关系

1.8自放电(Self-Discharge)

所有电池的自放电都会随着温度上升而新增。自放电基本上不是制造上的瑕疵，而是电池本身特性。然而制造过程中不当的处理也会造成自放电的新增。通常电池温度每新增10C，自放电率即倍增。锂离子电池每个月自放电量约为1~2%，而各类镍系电池则为每月10~15%自放电量。

2.电池电量计简介

2.1电量计功能简介

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

2.2开路电压法

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电池休息约超过30分钟时的电池端电压。

不同的负载，温度，及电池老化情况下，电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。

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，像汽车使用铅酸电池或不间断电源等。

2.3库仑计量法

库仑计量法的操作原理是在电池的充电/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，转换成电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。

图七、库伦计量法基本工作方式

库仑计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，它可计算剩余电容量(RM)及完全充电容量(FCC)。同时也可用剩余电容量(RM)及完全充电容量(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)。

图八、库伦计量法的计算公式

重要有两个因素造成库伦计量法准确度偏差。第一是电流感测及ADC量测中偏移误差的累积。虽然以目前的技术此量测的误差还算小，但若没有消除它的好方法，则此误差会随时间新增而新增。下图显示了在实际应用中，假如时间持续中的未有任何的修正，则累积的误差是无上限的。

图九、库伦计量法的累积误差

为消除累积误差，在正常的电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电池已充满电且荷电状态(SOC)应为100%。放电结束条件则表示电池已完全放电，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，则是电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。若使用者想用电池休息状态来作库仑计量法的误差修正，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。