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淺析鋰離子電池充放電理論及電量計算法設計

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2021年04月30日  

荷電狀態可含義為電池中可用電能的狀態,通常以百分比來表示。因為可用電能會因充放電電流,溫度及老化現象而有不同,所以荷電狀態的含義也區分為兩種:絕對荷電狀態(AbsoluteState-Of-Charge;ASOC)及相對荷電狀態(RelativeState-Of-Charge;RSOC)。通常相對荷電狀態的范圍是0%-100%,而電池完全充電時是100%,完全放電時是0%。絕對荷電狀態則是一個當電池制造完成時,根據所設計的固定容量值所計算出來的的參考值。一個全新完全充電電池的絕對荷電狀態是100%;而老化的電池即便完全充電,在不同充放電情況中也無法到100%。


1.2最高充電電壓(MaxChargingVoltage)


最高充電電壓和電池的化學成分與特性有關。鋰離子電池的充電電壓通常是4.2V和4.35V,而若陰極、陽極材料不同電壓值也會有所不同。


1.3完全充電(FullyCharged)


當電池電壓與最高充電電壓差小于100mV,且充電電流降低至C/10,電池可視為完全充電。電池特性不同,完全充電條件也有所不同。


下圖所顯示為一典型的鋰離子電池充電特性曲線。當電池電壓等于最高充電電壓,且充電電流降低至C/10,電池即視為完全充電。


1.4最低放電電壓(MiniDischargingVoltage)


最低放電電壓可用截止放電電壓來含義,通常即是荷電狀態為0%時的電壓。此電壓值不是一固定值,而是隨著負載、溫度、老化程度或其他而改變。


1.5完全放電(FullyDischarge)


當電池電壓小于或等于最低放電電壓時,可稱為完全放電。


1.6充放電率(C-Rate)


充放電率是充放電電流相關于電池容量的一種表示。例如,若用1C來放電一小時之后,理想的話,電池就會完全放電。不同充放電率會造成不同的可用容量。通常,充放電率愈大,可用容量愈小。


1.7循環壽命


循環次數是當一個電池所經歷完整充放電的次數,是可由實際放電容量與設計容量來估計。每當累積的放電容量等于設計容量時,則循環次數一次。通常在500次充放電循環后,完全充電的電池容量約會下降10%~20%。


圖三、循環次數與電池容量的關系


1.8自放電(Self-Discharge)


所有電池的自放電都會隨著溫度上升而新增。自放電基本上不是制造上的瑕疵,而是電池本身特性。然而制造過程中不當的處理也會造成自放電的新增。通常電池溫度每新增10C,自放電率即倍增。鋰離子電池每個月自放電量約為1~2%,而各類鎳系電池則為每月10~15%自放電量。


2.電池電量計簡介


2.1電量計功能簡介


電池管理可視為是電源管理的一部分。電池管理中,電量計是負責估計電池容量。其基本功能為監測電壓,充電/放電電流和電池溫度,并估計電池荷電狀態(SOC)及電池的完全充電容量(FCC)。有兩種典型估計電池荷電狀態的方法:開路電壓法(OCV)和庫侖計量法。另一種方法是由RICHTEK所設計的動態電壓算法。


2.2開路電壓法


用開路電壓法的電量計,其實現方法較容易,可借著開路電壓對應荷電狀態查表而得到。開路電壓的假設條件是電池休息約超過30分鐘時的電池端電壓。


不同的負載,溫度,及電池老化情況下,電池電壓曲線也會有所不同。所以一個固定的開路電壓表無法完全代表荷電狀態;不能單靠查表來估計荷電狀態。換言之,荷電狀態若只靠查表來估計,誤差將會很大。


所以基本上,開路電壓法只適合對荷電狀態準確性要求低的系統,像汽車使用鉛酸電池或不間斷電源等。


2.3庫侖計量法


庫侖計量法的操作原理是在電池的充電/放電路徑上的連接一個檢測電阻。ADC量測在檢測電阻上的電壓,轉換成電池正在充電或放電的電流值。實時計數器(RTC)則供應把該電流值對時間作積分,從而得知流過多少庫倫。


圖七、庫倫計量法基本工作方式


庫侖計量法可精確計算出充電或放電過程中實時的荷電狀態。藉由充電庫侖計數器和放電庫侖計數器,它可計算剩余電容量(RM)及完全充電容量(FCC)。同時也可用剩余電容量(RM)及完全充電容量(FCC)來計算出荷電狀態,即(SOC=RM/FCC)。此外,它還可預估剩余時間,如電力耗竭(TTE)和電力充滿(TTF)。


圖八、庫倫計量法的計算公式


重要有兩個因素造成庫倫計量法準確度偏差。第一是電流感測及ADC量測中偏移誤差的累積。雖然以目前的技術此量測的誤差還算小,但若沒有消除它的好方法,則此誤差會隨時間新增而新增。下圖顯示了在實際應用中,假如時間持續中的未有任何的修正,則累積的誤差是無上限的。


圖九、庫倫計量法的累積誤差


為消除累積誤差,在正常的電池操作中有三個可能可使用的時間點:充電結束(EOC),放電結束(EOD)和休息(Relax)。充電結束條件達到表示電池已充滿電且荷電狀態(SOC)應為100%。放電結束條件則表示電池已完全放電,且荷電狀態(SOC)應該為0%;它可以是一個絕對的電壓值或者是隨負載而改變。達到休息狀態時,則是電池旣沒有充電也沒有放電,而且保持這種狀態很長一段時間。若使用者想用電池休息狀態來作庫侖計量法的誤差修正,則此時必須搭配開路電壓表。下圖顯示了在上述狀態下的荷電狀態誤差是可以被修正的。


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