电池监测基础三-电压电量监测

一路上

一、基于电压的电量监测计

优势

• 无需完全放电就能进行学习
• 自放电无需矫正
• 在小负载电流条件下非常准确
  

劣势

• 由于内部电池阻抗的原因，准确度欠佳
• 阻抗与温度、老化和电荷状态之间存在函数关系
  

总结一下，基于电压的电量监测计它的缺点就是由于电池内部阻抗的原因造成准确度不好。阻抗、温度、老化状态和电池的容量百分比之间是存在一个函数关系的，这个函数关系相当复杂，要专业搞电池的人才能够找到一个比较近似的函数关系，很难找到一个精确的函数关系，所以这种模型相当复杂，一般的电子工程师或软件工程师要写出很精确的关系是很难的，所以大家在软件计算里面有关容量方面的计算是工程师们最头痛的一个问题，那么它也有一些优势，优势是它不需要完全放电就能够得到电池现在的容量是多少。

因为做过电池的人都知道一个电池出厂之前一般要进行一个完全的充放电。为什么要进行充放电呢？这是要定位现在电池的容量是多少，电池的满充电量是多少，尤其是电池的满充容量，不同的电池满充容量是有差别的，当然你可以选一个电池的设计容量，但是不同的电池与设计容量之间的偏差还是比较大的，要得到这个满充容量，还是要做一个完整的充放电才行，那么具体的充放电对生产过程的要求就比较高了，要加上很多的直接成本。

另外，电池有自放电的特性。电池放在那里，即使负载不工作，电池自己也会放电，时间长了以后电量会越来越少，电压会越来越低，那么电压监测的电量计它只要根据电压来判断容量，所以现在有多少电压就报告多少容量，那么自放电多少不用去太关心，所以这种基于电压的电量计如果在电流很小的情况下，它还是能达到一定的准确度的，但是目前来讲，各种应用越来越复杂，电流的变化也越来越大，所以基于电压的电量监测计要满足客户的要求就有点难了。

二、基于库伦计数的电量监测

除了基于电压的电量监测计，还有一种电量计就是库仑计数的电量监测技术。这个电量监测计的思路就是，首先把一个电池充到满，充满过程中就能够知道电池的现有容量，就是电池的满充容量，然后在放电过程当中把电池的放电容量从现有容量中扣去就可以得到现在电池里面还剩多少容量。它的思路其实就是电流对时间的一个积分来得到放出多少容量，从而得到电池里面剩多少容量。

用这种技术每次放电结束的时候放出容量都会有一个记录，这个记录的容量就作为电池的满充容量，所以每次放完结束的时候Qmax会被更新，也就是电池的化学容量和最大容量都会被更新。

三、在完全放电之前进行学习

理论上是这样，但实际在更新电池的满充容量或化学容量的时候，不一定会把电池完全放空了再去更新。因为这时更新电池电压就很低了，有可能系统要关机或者有什么情况，这个时候就已经太晚了，通常的更新是在电池容量放到还剩7%左右进行更新，这个更新的思路是说到容量到了7%，意味着放掉了93%的容量，如果对刚才放掉的容量进行积分就会放掉容量的mAh数，用这个mAh数除以93%就可以得到满充容量，这样也达到了学习的效果，所以一般学习不会放到0%的时候再去，一般在7%的时候去学习。

至于学习，学习的是电池的满充容量，有了满充容量之后，对放电的电流进行积分，才能够算出现在剩多少容量，所以满充电池的电量对电量的计算也是比较重要的。至于7%和3%对应的电压是多少，这取决于当时的电流、温度和阻抗。一般在室温电流恒定，同一批电池阻抗相差不是太大的情况下，这个电压也可以认为基本恒定，因为在7%的时候是，这个时候电压偏差造成容量的偏差不会太大，所以可以在7%时进行修正。

四、经补偿的放电终止电压（CEDV）

刚才讲到7%这一点其实是在给定的温度、电流或者同一批电池的情况下，这一点的电压基本固定了，但是实际上它的电流不可能是一个固定的电流，在使用的过程中电流总是会在不停的变化的，那么7%对应的电压也是不同的，也就是不同的电流对应的7%是不一样的。在这一条曲线中，放电电流为I1，I1对应的电压在这条曲线当中是，用CEDV2来表示，CEDV2是I1的函数，如果这个电流发生变化了，同样用7%的电压来修正，这个误差就大了，从CEDV的曲线中可以看到，7%对应的电压实际还有30%剩余容量，如果按照7%去进行同步或学习，去修正满充容量，就会有23%的容量丢了，所以这个时候就造成了一个大的误差，所以这个算法就要根据电流来对7%这点的电压进行修正，7%这点的电压我叫做CEDV2，把这一点的电压找到跟电流的函数关系，不同的电流下得到不同的电压。所以在电流I2的情况下，我们得到CEDV2其实它的电压比要低一点，CEDV2(I2)实际是根据复杂的计算得到的，它的公式大概的是这样的:CEDV=OCV(T,SOC)-I*R(T,SOC)，CEDV的C是补偿的，EDV是终止放电电压，也就是经过补偿的终止放电电压实际是等于电池的开路电压减去由于内阻造成的压降。关键是在这个公式里面OCV(T,SOC)可以找到一个跟曲线匹配比较好的函数，而且这个曲线也不大会变化，但是后面这个曲线它是T和SOC的函数，这个曲线就很难找一个匹配的函数，所以说这个公式相当复杂。

由于内阻差异性的存在，这个公式使用过程当中它的准确度是有限制的，不是说在整个放电过程当中这个公式都是通用的，通常我们用这个公式算的时候，在7%以下是用这个公式算的，也就是R（T,SOC）这样一个函数关系式，这在我们的datasheet里面是可以找到的，适用的范围仅仅只是7%或12%以后的范围。这样的其实也够了，因为修正指需要在7%左右修正就行了，所以它适用的范围小这个问题不大，那么12%以前还是用库仑计算来进行积分，库仑计算积分造成的误差可以在12%以后通过电压修正来得到补偿，这就是CEDV算法的简单思路。这个公式反应的其实是阻抗、温度和SOC之间的一个关系，这种关系反应的是电池的阻抗，这个公式里面一般参数定了之后，阻抗、温度和容量百分比的关系就定了，实际上随着电池使用年限的增加，内阻是肯定会变的，但是这个公式其实没有反应电池的内阻和使用年限之间的差异，这个公式不能够反应出这个差异，当然我们后续的算法当中加了改进，加了一些线性的补偿，这个可以在我们的同CEDV的芯片里面，比如TI的BQ3060，早一点的BQ2084，BQ2085这几个是用CEDV算法来做的。

五、基于库伦计数的电量监测

优势

• 不受电压测量失真的影响
• 准确度由电流积分硬件确定
• 监测误差：3-10%（取决于工作条件和用途）
  

劣势

• 需要学习周期以更新Qmax
• 电池容量随老化而下降
  

Qmax较少幅度：3-5%（100次充电）

• 在不学习的情况下，每充电10次监测误差将增加1%
• 自放电必须建模：不准确
  

与老化相关的主要参数：阻抗

六、基于库仑计数的电量监测它的优势是什么呢？

因为它主要是根据电流积分来进行电量计算的，所以电压测量的失真对它的影响就比较小，电流有多准，是有电路积分的硬件来决定的，整CEDV算法如果你参数控制得比较好，误差可以控制在3%甚至更低一点，如果参数和实际电池的模型匹配可能会大一点，大概整个误差在3~10%左右，具体取决于工作的条件和用途。

它的劣势就是刚才说的，因为它是用库仑计数，也就是说充进去多少电、放出了多少电来进行容量计算的，前提是它要知道电池的满充容量，才能够算出电池里面剩多少容量。这个满充容量一般要在出厂之前更新一下，因为电池的满充容量和剩余容量偏差还是比较大的，不能够直接用电池的剩余容量当满充容量来做，所以电池出厂以前都要做一个充放电周期循环来得到电池的满充容量，根据循环来得到满充容量是电量计自己来做的，但循环是需要在生产线上配备专门的工具来做的，所以这个比较耗时间。还有电池的容量也会随着使用年限的增加而下降，当然下降得不像阻抗那样的显著，但是100次充放电之后也会有3~5%的下降，这个下降也要想办法进行补偿，为什么呢？

因为你在实际使用的情况下，不是每一次放电都能够得到学习的，因为我们的用电设备拿出去放电，它不一定会从满充的情况下一直放到空，或者放到7%以下让你去更新满充容量，一般可能放电到一半，或者稍稍放一下电就立刻把适配器给插上了，这种情况下放电就很浅，它不一定有机会去更新满充容量，在没有更新的情况下，每充电10次监测的误差将增加1%，这样的话Qmax不更新它的误差就会越来越大，所以在实际使用过程当中，如果用老式的电量计，大家如果有这样的经验，笔记本电脑拿出去一个月可能要让它全充全放一次，让它不断的去更新里面的Qmax的参数，做得相对准确。还有一个就是对电池的自放电进行估计，它是不准确的，因为像刚才所说的基于电压的电量监测技术，电池有多少电量，它判断电压然后去查一下表现在剩多少，至于电池在内部放了多少电，它是不用关心的。

如果是库仑计的话，它主要不是根据电压来判断容量的，它是根据电流的充放电来判断容量的，电池内部的充放电，库仑计的监测芯片是监测不到这种电流的，因为库仑计是接在电池外面的，只能监测到电池流进流出的电流，电池内部耗掉的电流它是测不到的，所以每次放电放了多少它只能用一个简单的模型去估计一下，所以这个结果也不是很准确，使用年限延迟之后也会造成误差的增加，所以这里面有个比较大的因数就是电池的老化，库仑计在处理老化上面，它的办法比较受局限，老化造成的影响，一个是容量会随着老化的增加而减少，另外一个老化以后电池阻抗会增加。

刚才说到电池的阻抗增加的时候，电池的CEDV计算误差也会变大，因为在这个公式里面这个阻抗只跟温度和容量百分比有关，加进了对容量的估计，这个估计其实也是一个线性的，跟实际的电池还是有一定的差异，所以这个电池年限的增加阻抗对容量造成的贡献来讲误差会越来越大。所以CEDV算法它考虑到了电池阻抗对电压的修正，但它没有考虑到电池阻抗随时间变化的因数，或者说考虑得比较简单。所以传统的电量监测方法在没有负载的情况下可以用电压监测的方法来得到比较准确的容量，在有负载的情况下可以用库仑计数来得到容量，所以这两种方法算是互补的。其实在市场上可以买到的芯片基本上也是把这2种方法结合起来使用的。

七、对于典型电量监测计的优势

结合了电压监测和库仑计数两种技术结合使用的。

基于电压的电量监测计: V = OCV(T,SOC) . IxR(T,SOC,老化)
电流积分电量监测计: CEDV = OCV(T,SOC) - IxR(T,SOC,老化)

所以不管是基于电压的电量监测计还是基于电流积分的电量监测计，里面对容量的计算影响比较大的都是阻抗，这个阻抗里面对于老化造成的影响都是基于一个简单的线性模型来做的，或者说早期的就没有这一部分老化的影响，这样由于它依据的模型相对比较简单，所以实际上跟电池的匹配成功比较差，也就是说造成的误差会随着时间年限的延长越来越明显，所以对电池电量计算影响最大的一个因数其实是电池的阻抗，如果能够随时随地的得到电池的阻抗，那我们电池的容量就可以得到比较精确的计算。

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