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一文詳解鋰離子電池和電量計

2022-06-02 05:10:00 編輯:鮑聰有 來源:
導(dǎo)讀 大家好,小科來為大家解答以上問題。一文詳解鋰離子電池和電量計這個很多人還不知道,現(xiàn)在讓我們一起來看看吧!1、一、鋰離子電池介紹2、1

大家好,小科來為大家解答以上問題。一文詳解鋰離子電池和電量計這個很多人還不知道,現(xiàn)在讓我們一起來看看吧!

1、一、鋰離子電池介紹

2、1.1 SOC(充電狀態(tài))

3、SOC定義為電池中可用能量的狀態(tài),通常用百分比表示。

4、因為可用能量的變化取決于不同的充放電電流、溫度和老化效應(yīng),所以SOC可以更明確地定義為ASOC(絕對荷電狀態(tài))和RSOC(相對荷電狀態(tài))。

5、一般來說,RSOC的范圍是從0%到100%。充滿電的電池RSOC始終為100%,完全放電的電池為0%。

6、ASOC是根據(jù)設(shè)計容量計算的參考值,設(shè)計容量是制造電池時的固定容量。

7、完全充電的新電池將具有100%的ASOC,但是由于充電/放電條件不同,完全充電的老化電池可能低于100%。

8、下圖是不同C速率下的電壓和容量示例。

9、較高的C-rate負(fù)載將具有較低的輸出容量。

10、較低的溫度導(dǎo)致較低的輸出能力。

11、圖一。不同C速率和溫度下的電壓和容量

12、1.2最大充電電壓

13、最大充電電壓由電池的化學(xué)成分和特性決定。

14、鋰離子電池的充電電壓一般為4.2V和4.35V.

15、如果改變陽極/陰極材料,情況可能會有所不同。

16、1.3充滿電

17、當(dāng)電池電壓和充電電壓之差在100毫伏以內(nèi),且充電電流小于C/10時,認(rèn)為電池充滿電。

18、根據(jù)不同的電池特性,條件可能會有所不同。

19、下圖顯示了典型鋰電池的充電曲線。

20、當(dāng)電池電壓等于最大充電電壓且充電電流小于C/10時,認(rèn)為電池已充滿電。

21、圖2典型鋰電池的充電曲線

22、1.4最小放電電壓

23、最小放電電壓也可以定義為端電壓。

24、通常,最小放電電壓是指SOC等于0%的電壓。

25、電壓不是固定的,會根據(jù)不同的負(fù)載、溫度、老化效果或用戶要求進(jìn)行充電。

26、1.5完全放電

27、當(dāng)電池電壓等于或小于最小放電電壓時,電池被認(rèn)為完全放電。

28、1.6攝氏度

29、C-Rate是充電/放電電流的表達(dá)式,由電池容量標(biāo)準(zhǔn)化。

30、比如1C放電,理想電池在1小時內(nèi)完全放電。

31、可用容量隨著不同的C速率而變化。

32、通常,C-rate越大,可用容量越小。

33、1.7循環(huán)計數(shù)

34、循環(huán)計數(shù)是電池在老化過程中經(jīng)歷了多少次充電/放電循環(huán)的參考數(shù)。

35、按泄流能力和設(shè)計能力估算。

36、當(dāng)累積放電容量等于設(shè)計容量時,循環(huán)計數(shù)增加。

37、通常500次循環(huán)后,滿充電容量會下降10%~20%。

38、圖3。循環(huán)期間的滿充電容量

39、1.8自放電

40、所有電池化學(xué)物質(zhì)的自放電將在更高的溫度下增加。

41、自放電基本不是制造缺陷,是電池特性。

42、然而,不良的生產(chǎn)實踐和不當(dāng)?shù)奶幚砜赡軙黾舆@種影響。

43、自放電率通常每增加10C就加倍。

44、鋰離子電池每月有1~2%的自放電,鎳基電池每月有10~15%的自放電。

45、圖4。不同溫度下的容量保證

二、電量計介紹

2.1 電量計功能介紹

電池管理是功率測量的一部分。

49、電量計在電池管理領(lǐng)域負(fù)責(zé)估計電池的容量。

50、電量計的基本功能是監(jiān)測電壓、充放電電流和電池溫度,估計電池的SOC和電池的滿充電容量(FCC)。

51、有兩種經(jīng)典的方法可以進(jìn)行 SOC 估計,分別是開路電壓 (OCV) 和庫侖計數(shù)器。

52、另一種方法是RICHTEK設(shè)計的基于動態(tài)電壓的算法。

2.2 開路電壓

電量計的開路電壓算法很容易實現(xiàn),通過將開路電壓映射到SOC查找表,并使用幾個點來擬合OCV曲線。

55、開路電壓的一般定義是電池松弛大約 30 分鐘以上。

電池電壓曲線會根據(jù)負(fù)載、溫度、年齡等不同而變化,因此靜態(tài)的OCV表并不能代表SOC。

57、SOC 估計不能依賴于查找表。

58、因此,如果僅通過 OCV 估計 SOC 誤差很大。

下圖顯示,電池在充放電狀態(tài)下SOC誤差很大,因為IR壓降是由電池阻抗和充放電電流引起的。

60、這意味著通過靜態(tài)電壓測量的SOC估計應(yīng)該使用單獨的充電和放電查找表來完成。

圖 5. 充放電條件下的電池電壓

下圖顯示,在不同負(fù)載下的放電條件下,SOC變化仍然很大。

64、因此 OCV 僅適用于 SOC 精度要求較低的系統(tǒng),例如車輛的鉛酸電池或不間斷電源

圖 6 放電時不同負(fù)載下的電池電壓

2.3 庫侖計數(shù)器

庫侖計的工作原理是在電池的充電/放電路徑中連接一個檢測電阻。

69、ADC 測量檢測電阻上的電壓,然后在電池充電或放電時傳輸電流值。

70、實時計數(shù)器 (RTC) 為整合電流到庫侖信息提供了時序基礎(chǔ)。

圖 7. 庫侖計基本操作圖

庫侖計數(shù)器在充電或放電期間提供準(zhǔn)確的短期 SOC 報告精度。

74、可通過充電庫侖計(CCR)和放電庫侖計(DCR)上報剩余容量(RM)和滿充電容量(FCC)信息,通過RM和FCC(SOC-RM/FCC)上報SOC。

75、此外,它還可以提供剩余時間估計,如清空時間 (TTE) 和充滿時間 (TTF)。

圖 8. 庫侖計計算公式

導(dǎo)致庫侖計精度漂移的關(guān)鍵因素有兩個。

79、首先是電流檢測和 ADC 測量中失調(diào)誤差的累積。

80、盡管當(dāng)前技術(shù)的測量誤差很小,但如果沒有好的方法來消除誤差,那么在此類系統(tǒng)中誤差會隨著時間的推移而增加。

81、下圖顯示,在實際應(yīng)用中,如果不隨時間觀察校正條件,累積誤差是無限的。

圖 9. 庫侖計數(shù)器累積誤差

為了消除累積誤差,可以在正常電池操作中使用三個事件。

85、它們是充電結(jié)束 (EOC)、放電結(jié)束 (EOD) 和放松。

86、如果達(dá)到 EOC 條件,則表示電池已充滿電,SOC 應(yīng)為 100%。

87、EOC 事件通常由電荷定義,其條件也會影響庫侖計的性能。

88、EOD 條件意味著電池在放電時是空的,那么 SOC 應(yīng)該是 0%。

89、它可以是絕對電壓電平,也可以是通過負(fù)載補(bǔ)償?shù)淖兞俊?/p>

90、當(dāng)電池沒有充電或放電并長時間保持這種狀態(tài)時,就達(dá)到了松弛狀態(tài)。

91、如果用戶想使用松弛條件進(jìn)行庫侖計誤差校正,OCV 表是必需的。

圖 10. 消除庫侖計累積誤差的條件

引起庫侖計誤差的第二個因素是FCC誤差,它是算法賬戶與電池真實FCC之間的偏差。

95、FCC 會受到溫度、老化、負(fù)載等因素的影響。

96、因此,F(xiàn)CC 的重新學(xué)習(xí)和補(bǔ)償方法也是庫侖計算法的關(guān)鍵。

97、下圖顯示了 FCC 被高估和低估時的 SOC 誤差趨勢。

圖 11. 高估和低估時的 FCC 誤差

2.4 基于動態(tài)電壓的電量計

基于動態(tài)電壓的電量計僅根據(jù)電池電壓計算和確定 Li+ 電池 SOC。

102、該算法根據(jù)電池電壓和電池OCV之間的差異,通過迭代模型估計SOC的增加或減少。

103、動態(tài)伏打信息可以有效地模擬Li+電池的行為并確定SOC(%),但不能估計電池容量(mAh)。

該計算基于電池電壓信息和電池電壓與松弛OCV之間的動態(tài)差異,通過使用迭代算法計算增加或減少的SOC來估計SOC。

105、與基于庫侖計的電量計解決方案相比,基于電壓的電量計不會隨時間和電流累積誤差。

106、基于庫侖計的電量計由于電流檢測誤差和電池自放電而存在 SOC 漂移。

107、即使存在非常小的電流感應(yīng)誤差,庫侖計數(shù)器也會不斷累積誤差。

108、只有完全充電或完全放電才能消除累積誤差。

基于電壓的電量計僅通過電壓信息估計電池SOC,不會累積誤差,因為它不依賴電池電流信息。

110、為了提高 SOC 精度,動態(tài)電壓算法中的優(yōu)化增益可以根據(jù)具體手機(jī)在滿充和滿放電時的實際電壓曲線進(jìn)行調(diào)整。

圖 12. 基于動態(tài)電壓的電量計和增益優(yōu)化

以下是基于動態(tài)電壓的算法在不同C-Rate條件下的SOC性能,表明SOC精度良好。

115、C/2、C/4、C/7和C/10的整體SOC誤差小于3%。

圖 13. 不同 C-Rate 條件下基于動態(tài)電壓的 SOC 性能

下圖是部分充放電條件下的SOC性能,可以看出SOC誤差還是很小的,最大誤差只有3%左右。

圖 14. 部分充電和放電條件下基于動態(tài)電壓的 SOC 性能

它不會隨著時間和電流累積誤差。

122、與庫侖計相比,這是一個優(yōu)勢,庫侖計會因電流檢測錯誤和電池自放電而導(dǎo)致 SOC 漂移。

123、由于沒有充放電電流信息,基于動態(tài)電壓的算法短期精度較差,響應(yīng)時間較慢。

124、此外,它也無法估計滿充電量。

125、它具有準(zhǔn)確的長期準(zhǔn)確性,因為電池電壓最終會指示 SOC。

三、 RT9428電量計及測試

3.1 RT9428介紹

RT9428是一款緊湊型主機(jī)側(cè)電量計 IC,適用于鋰離子 (Li+) 電池供電系統(tǒng)。

129、對于嵌入式 Fuel Gauge 功能,充電狀態(tài) (SOC) 計算基于電池電壓以及電池電壓與松弛 OCV 之間的動態(tài)差異來估計增加或減少的 SOC。

RT9428和RT9420功能相同,但封裝類型不同。

131、RT9428采用WL-CSP-8B 1.6x1.52 (BSC) 封裝,RT9420采用 WDFN-8L 2x3 封裝。

RT9420RT9428

圖 15. RT9420和RT9428的封裝和管腳定義

RT9428用于系統(tǒng)側(cè),直接由電池供電。

136、參考下面的典型應(yīng)用電路,RC 濾波器為 IC 電源和 VBAT 引腳上的電壓測量節(jié)省了噪聲。

137、為減少 IR 壓降效應(yīng),請使 VBAT 的連接盡可能靠近電池組。

138、當(dāng)檢測到電量不足時,ALERT 引腳會向系統(tǒng)處理器提供電池電量不足中斷信號。

139、QS 引腳在典型配置中未使用,它需要連接到 GND。

圖 16. RT9428典型應(yīng)用電路

RT9428采用基于電壓的算法,可以支持平滑的 SOC,并且不隨時間和電流累積誤差。

143、與庫侖計相比,這是一個優(yōu)勢,庫侖計會因電流檢測誤差和電池自放電而導(dǎo)致 SOC 漂移。

144、下面是基于電壓的算法和庫侖計的比較。

3.2 RT9428溫度補(bǔ)償

根據(jù)第 1.1 章,電池特性在不同溫度下會有所不同。

148、在軟件驅(qū)動中進(jìn)行電量計溫度補(bǔ)償之前,我們應(yīng)該預(yù)先確定不同溫度下的電池參數(shù),通常為5/25/45°C。

149、然后,軟件驅(qū)動程序定期檢查系統(tǒng)溫度,根據(jù)溫度將參數(shù)(VGCOMP)寫入RT9428 。

150、請參考下面的偽代碼和框圖。

圖 17. RT9428軟件驅(qū)動偽代碼

3.3 測試條件

定義

理想SOC:實際SOC是根據(jù)測試完成后的充放電容量和滿容量。

156、理想的SOC只能在測試結(jié)束后重新計算,因為真正的放電容量是在放電結(jié)束后計算的。

SOC:電量計的 SOC 報告

FCC:測試完成后電流和時間的積分計算滿充電量

SOC Error:報告 SOC 與理想 SOC 之間的差異

使用RT9420 /9428 EVB 在以下測試條件下測試電量計性能:

- 恒流放電/充電測試

- 恒功率放電測

- 真實手機(jī)測試

測試框圖

圖 18. 通過 I 2 C 接口從電量計訪問 SOC 和 VBAT

3.4 恒流放電測試示例

測試以確認(rèn)電量計可以在不同的負(fù)載和溫度條件下提供準(zhǔn)確的 SOC 報告。

條件:C/4 & C/7 放電,直到電壓 《 3.3V at 5/25/45°C

圖 19. 恒流放電測試結(jié)果

3.5 恒功率放電測試示例

測試以確認(rèn)電量計可以在不同的負(fù)載條件下提供準(zhǔn)確的 SOC 報告。

條件:恒定3W、4W和5W放電,直到電壓《3.2V

圖 20 恒功率放電測試結(jié)果

3.6 真機(jī)測試示例

測試確認(rèn)電量計可以提供準(zhǔn)確的SOC報告與真實的手機(jī)系統(tǒng)。

條件:

動態(tài)正常放電,直到手機(jī)自動關(guān)機(jī)。

正常充電,直到手機(jī)自動停止充電。

圖 21. 手機(jī)測試結(jié)

本文到此結(jié)束,希望對大家有所幫助。


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