1、電池電量監(jiān)測基礎(chǔ)知識1.1 什么是電池電量監(jiān)測技術(shù)含義：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)。a、電池容量-百分比-至電量耗盡/充滿的時間-毫安時（mAh）-瓦時（Wh）-通話時間、限制時間等b、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
電池電量監(jiān)測技術(shù)主要是用來報告電池的容量，同時它一般也可以提供電池的健康狀態(tài)和電池的滿充容量。1.2、概要介紹a、電池化學(xué)成分基本知識b、傳統(tǒng)的電池電量監(jiān)測方法-基于電壓-庫侖計(jì)數(shù)c、阻抗跟蹤技術(shù)及其優(yōu)勢1.3 第一部分：電池化學(xué)成分基本知識首先給大家介紹的是一些跟電池電量計(jì)量有關(guān)的一些電池化學(xué)成分的知識?！緢D為：鋰離子電池放電曲線：最優(yōu)運(yùn)行時間】
這里的三張圖是在不同情況下測到的鋰離子電池放電曲線圖。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)行時間。從這些圖中我們首先可以看到，在室溫小電流情況下電池的電壓在 3.5V之后會很快的發(fā)生跌落，雖然系統(tǒng)可以支持的最低電壓可以到 3.0V 或 3.3V，但是由于到 3.5V 之后電壓會很快跌落，為了避免突然關(guān)機(jī)造成的數(shù)據(jù)丟失或者加載文件的電路突然中斷，客戶的應(yīng)用系統(tǒng)通常的傾向于把電池的最低容量為零的參考點(diǎn)設(shè)置為3.5V，如果在低溫或者大電流的情況下，或者在電池非常老化的情況下，如果還是把 3.5V 作為電量為零的參考點(diǎn)，那就好造成電池的可用容量大大的減少，大家可以從這些曲線上可以看到，在大電流情況下，基本上一開始放電的曲線就已經(jīng)快到 3.5V 了，那么在老化或者低溫的情況下也是類似的，所以如果固定的以 3.5V 作為容量為零的參考點(diǎn)，那在低溫或者大電流情況，或者是接近老化的情況下，會造成所報告容量的縮減，為了避免這種情況，電池的容量需要根據(jù)溫度、放電速率、電池的老化程度進(jìn)行調(diào)整。1.4 電池化學(xué)容量 Qmax
關(guān)于電池電量監(jiān)測技術(shù)里面，有一個比較重要的概念，就是電池的化學(xué)容量 Qmax。在這張圖里面，紅色的曲線和 3.0V 的橫坐標(biāo)交叉點(diǎn)，對應(yīng)的值就是 Qmax。這個曲線是負(fù)載電流為 0.1C 的情況下測出來的，因?yàn)橐獪y得 Qmax 必須保證負(fù)載電流足夠的小，理論上 Qmax 是指電流趨近于零時所能放出來的容量，但實(shí)際情況下，工程技術(shù)上是用很小的電流來做 Qmax 的測定，這里我們是用的 0.1C 的電流。那什么是 0.1C 呢？C 這個概念在電池電量管理里面就是指電池的放電速率，1C 實(shí)際就是指如果電池的容量為 2200mAh，電流為 2200mA 就是 1C，所以概念上就是 1 小時內(nèi)將 1 節(jié)電池完全放空所需要的電流。因此 2200mAh 的電池對應(yīng)的放電電流就是 2200mA，那 0.5C 的放電電流對應(yīng)的就是 1100mA。在這張圖里面所提到的 EDV 指的是系統(tǒng)或者電池本身能夠支持的最低電壓。1.5 可用容量 Quse
還有一個對應(yīng)的容量就是可用容量。因?yàn)閯偛胖v的是電池的化學(xué)容量，電池的化學(xué)容量是在電流很小的時候測得的容量，它更多的是由電池本身的特性決定的。那實(shí)際在電池的使用過程中，這么多容量不是都能夠放得出來的，在實(shí)際的使用過程中，由于有一定的放電電流，所以放電曲線會比開路電壓曲線低，大家可以看到這條曲線，由于存在電池的內(nèi)阻，實(shí)際的放電曲線是藍(lán)色的這條曲線，由藍(lán)色的曲線和紅色的曲線對應(yīng)的值得到 Quse，Quse 實(shí)際指的是電池的可用容量，在這張曲線中我們發(fā)現(xiàn)，由于電池內(nèi)阻的存在使這個曲線的位置往下移了，那么放電的時候會更早的達(dá)到放電終止電壓，也就是更早的達(dá)到 EDV，所以 Quse一般是小于 Qmax。從這個曲線中我們也可以看出，電流越大，Quse 會越小.。在這曲線當(dāng)中，I*Rbat 就是指的由于內(nèi)阻的存在，造成電池端電壓的下降。1.6 電池電阻
電池的內(nèi)阻對電池電壓的監(jiān)測是有很重要的影響的?；镜墓娇梢杂眠@樣一個公式來表示電池的內(nèi)阻對電池電量監(jiān)測的影響：V=Vocv-I*Rbat這個公式里面 Vocv 指的是電池的開路電壓，I 是指充放電電流，Rbat 是指的電池的內(nèi)阻，V 是指電池的端電壓。電池的阻抗實(shí)際是受很多因素影響的，受到環(huán)境溫度、電池的容量百分百、電池的老化程度的影響。它是這些變量中一個非常復(fù)雜的函數(shù)?，F(xiàn)在要得到這個函數(shù)的具體表達(dá)式是非常困難的，所以實(shí)際經(jīng)常用實(shí)測的方法來得到阻抗，也就是用差分表的方法來得到阻抗。那么這個電池的內(nèi)阻通常在 100 次充放電之后會增加 1 倍，這是一個經(jīng)驗(yàn)值。同一批電池之間的偏差控制得比較好的大概可以控制在 10~15%左右，不同電池的制造商生產(chǎn)的電池內(nèi)阻的偏差往往會更大。所以電池是在生產(chǎn)當(dāng)中很難把它的偏差控制得小的一個變量，電池的內(nèi)阻是一個非常難控制的變量，也是非常重要的一個變量。1.7 電荷狀態(tài)（SOC）
剛才講到的是 SOC，SOC 實(shí)際是指的容量百分比，也就是大家經(jīng)常在使用手機(jī)或者平板電腦的時候屏幕角上的容量百分比，容量百分比的意義是說電池在某種狀態(tài)下到放空之間還剩余多少電量。英文的縮寫叫 SOC，也就是 State Of Charge，所以也可以直接翻譯成電荷狀態(tài)，因?yàn)?Charge 就是指的電荷的意思。那么顯然對一個充滿了的電池電壓百分比，或者電荷狀態(tài)，就等于 1；對一個完全放空的電池電壓百分比就等于 0。所以電壓百分比的公式。SOC 等于這條曲線上的 Q（狀態(tài)A時對應(yīng)的剩余容量）除以電池的化學(xué)容量 Qmax。跟電量百分比對應(yīng)的一個概念是 DOD，DOD 指的是放電的深度，英文是 Depth Of Discharge。那顯然在充電百分比或者容量百分比為 1 的時候，那么放電深度應(yīng)該是 0；反過來容量百分比為 0 的時候，放電深度就應(yīng)該是 1。我們在 TI 的很多文檔當(dāng)中會碰到 DOD 這個概念，DOD 實(shí)際上和 SOC 是一個相對的概念，它們表示的實(shí)際上是同一個意思，就是電池里面剩余的電量是多少，或者說這個電池從滿充狀態(tài)已經(jīng)放了多少電了，是表示這種程度的。1.8 抗阻與溫度和 DOD 有關(guān)
那么電池的阻抗受影響比較大的有溫度和容量百分比，也可以用剛才所說的放電深度來表示，也就是 DOD 來表示。從這張曲線我們可以看出一些基本的趨勢，從圖中可以看出放電百分比越大、放電深度越大，那么電池的內(nèi)阻就越大，因?yàn)檫@條曲線上縱坐標(biāo)指的是電池內(nèi)阻，它的單位是歐姆；橫坐標(biāo)指的是放電百分比，也就是 DOD。不同顏色的曲線表示的是不同溫度下測得的數(shù)據(jù)，顯然在同一個溫度下面，放電百分比越大，也就是放電越深，那它的電池內(nèi)阻就越大。那么我們在這張圖上還可以看到，在同樣的 DOD 下，也就是同樣的容量百分比下，溫度越低，電池的內(nèi)阻也相應(yīng)的越大。這是一個基本的概念，這是大家要對電池所形成的一個基本的認(rèn)識。1.9 抗阻和容量隨老化而改變
電池的內(nèi)阻除了和溫度、容量百分比有關(guān)，另外一個影響比較大的因素就是電池的使用年限，也就是電池的老化程度。一般電池在 100次重放電之后，化學(xué)容量會減少 3~5%，這個容量減少還不是很顯著，但是它的阻抗變化就比較顯著了，在 100 次充放電之后阻抗可以增加幾乎 1 倍。大家可以從這 2 張圖中看出來，左邊的這張圖是第 1 次和第 100 次的放電曲線畫在一起的一張圖，從這張圖中可以看出來放電次數(shù)的增加對容量減少的影響還不是很大。但是放電速率的增加對內(nèi)阻的影響是很大的，右邊這張圖指的是電池的內(nèi)阻和放電次數(shù)增加的關(guān)系，這里面有很多條曲線，這張圖的橫坐標(biāo)是測電池內(nèi)阻時所用的頻率，縱坐標(biāo)是指電池的內(nèi)阻。這張圖中我們可以看出來，在頻率很低的情況下，最下面的那條曲線是第1 次在不同頻率下測得的一條曲線，最上面的那條曲線是第 100 次在不同頻率下測得的電池內(nèi)阻的曲線，這 2 條曲線在縱坐標(biāo)交點(diǎn)的值基本相差了 1 倍，所以說 100 次循環(huán)之后，電池的內(nèi)阻增加了 1 倍。這里的內(nèi)阻橫坐標(biāo)用的是頻率，表示在頻率很低的情況下，內(nèi)阻的變化隨著循環(huán)次數(shù)的增加是很顯著的，但是反過來講，隨著頻率的升高，比如說：測試負(fù)載的變化頻率升高到 1KHZ 的時候，內(nèi)阻的變化基本可以忽略不計(jì)了，大家可以看到這么多曲線基本都匯聚到同一點(diǎn)去了。那么實(shí)際上對我們電池電量監(jiān)測影響大的是什么樣的阻抗呢？是在頻率比較低或者是直流情況下的阻抗，所以我們應(yīng)該看右邊這張圖曲線和縱坐標(biāo)的2 個交點(diǎn)，從這個交點(diǎn)上我們可以看出，循環(huán)次數(shù)對電池的直流內(nèi)阻影響。1.10 新電池的阻抗差異
這張圖表現(xiàn)的是新電池阻抗的差異。電池的工藝結(jié)構(gòu)上是一層一層疊起來或者一層一層卷起來的，所以電池正負(fù)極之間從外部看上去，可以看到有電容的特性，也有電阻的特性，也有電感的特性。所以整個電池來講，如果要測量它的阻抗，阻抗可以分為實(shí)布和虛布，在這張圖中，我們用一個交變的負(fù)載去測定電池的內(nèi)阻，這個電池的變化頻率，也就是負(fù)載電流的變化頻率，是從 1KHZ 變到 1mHZ，1KHZ 的概念大家經(jīng)常接觸到，就是 1 秒鐘變化1000 次；1mHZ 就是 1000 秒變化 1 次，這個變化頻率就相當(dāng)緩慢了，也就是說測的其實(shí)是一個直流的阻抗。在這 2 張圖里面，大家可以看到，直流阻抗是隨著頻率的降低單調(diào)的線性增加的，但是交流阻抗它有一個變化的趨勢，一開始是小，后續(xù)慢慢的變大，然后又變小，最后又變大，這是由于電池內(nèi)部存在電容和電感這些因素綜合影響造成的。但是直流阻抗是單調(diào)的增加的，隨著頻率的降低，直流阻抗是越來越大的。那么對電池電量監(jiān)測技術(shù)來講，我們關(guān)心的是 1mHZ 時的直流阻抗，從這張圖中我們可以看到，1mHZ 情況下，電池阻抗的偏差還是有15%左右，這個 15%左右的阻抗偏差會造成在如果是 1C 電流放電，電池的端電壓和開路電壓壓差 40mV 低溫情況下，如果你使用的算法是根據(jù)電壓來判斷容量，大概會引起 26%左右的容量誤差。1.11 電池剩余容量（RM）
下面介紹的是電池的剩余容量。剩余容量是指當(dāng)前狀態(tài)放到 EDV 的電池容量，EDV也就是終止放電電壓。圖中當(dāng)前狀態(tài) A 在一個給定的電流下進(jìn)行放電，放電到 3.0V 的時候，對應(yīng)的剩余容量從圖中標(biāo)出的就是 RM1。那如果在狀態(tài) A 的情況下，同比較大的電流放電，這個時候這個曲線的位置會比開路電壓更低一點(diǎn)，也會比剛才的小電流放電的 RM1 對應(yīng)的位置更低一點(diǎn)，那這個時候得到的剩余容量是 RM2。RM2 和 RM1 對應(yīng)的放電曲線它們的區(qū)別在于使用的放電電流是不一樣的，放電電流越大，曲線的位置越低，剩余容量就越小，所以電池的剩余容量是與放電速率有關(guān)的，不同的電流下面電池的剩余容量是不一樣的。有的用戶在電池的實(shí)際使用過程中在放電的情況下，會發(fā)現(xiàn)電池的容量由少變多，他感到不可理解，實(shí)際這里可以解釋一下，這種情況是由于放電電流的變化造成的，當(dāng)我們看到電池容量由少變多的情況，這個通常是由于放電電流突然變小造成的，因?yàn)樵诓煌碾娏飨码姵乜梢苑懦龅娜萘渴遣灰粯拥?，?dāng)放電電流變小的時候，它可以放出的容量是可以增加的。1.12 電池化學(xué)成分概要
我們現(xiàn)在簡單回顧一下剛才介紹的概念。Qmax 是指電池的化學(xué)容量。這個容量的值是和負(fù)載沒有關(guān)系的。它是指在極小的負(fù)載電流情況下，電池能夠放出的容量，通常它的單位是用 mAh 來表示的。Quse 是指電池的可用容量。這個容量是和負(fù)載有關(guān)的，不同負(fù)載的情況下，電池的可用容量是不一樣的，負(fù)載電流越大，電池的可用容量越小。為什么Quse和Qmax會造成這樣的區(qū)別呢？這主要是由于電池的內(nèi)阻和負(fù)載在電池的電動勢和端電壓直接產(chǎn)生了一個壓降，還有一個概念就是電池的容量百分比，或者是說電荷狀態(tài)，它的單位是%，這個%實(shí)際上就是電池的剩余容量除以電池的化學(xué)容量得到的。剩余容量叫 RM，RM 的大小也是取決于負(fù)載的，負(fù)載越大，在同一個狀態(tài)下剩余容量就越小。還有一個概念就是電池的老化會影響到電池的阻抗和容量。老化對阻抗的影響比較明顯，100 個周期之后阻抗會增加 1 倍。老化對容量的影響不像阻抗這么明顯，但是 100 個周期之后會有 3~5%的跌落。2、傳統(tǒng)的電池電量監(jiān)測方法2.1 目標(biāo)：充分利用可用的電池容量
電池電量監(jiān)測的主要目的是為了最大程度的利用電池里面的容量，通常來講，電池里面的容量我們一般很難做得 100%利用的，為什么呢？
這里存在 2 個因數(shù)
第 1，在充電的時候，充電電壓很難正好是電池的滿充電壓，通常我們?yōu)榱朔乐闺姵爻霈F(xiàn)過沖狀態(tài)，這個充電電壓誤差是往下偏的，也就是說 4.2V 的電池，充電電壓有可能是 4.18V 或 4.15V，這樣，如果在這個低充電電壓下進(jìn)行充電，充進(jìn)去的容量可能就會變?。?/p>
另外，由于電池電量監(jiān)測的不準(zhǔn)確性，用戶為了安全，防止突然關(guān)鍵造成數(shù)據(jù)丟失，可能電量估計(jì)得會比較保守，也就是說電池真正的電量還沒到 0%的時候，他就提前報成 0%，讓系統(tǒng)提前關(guān)機(jī)，這樣至少可以避免用戶的數(shù)據(jù)丟失，當(dāng)然用戶體驗(yàn)上感覺電池的容量變小了，這是一個缺點(diǎn)，這樣做的后果也是導(dǎo)致電池的容量不能充分的發(fā)揮出來，電池電量監(jiān)測技術(shù)是為了最大程度的提高對電池電量的監(jiān)測，讓用戶能夠最大程度的使用當(dāng)前電池里面的容量，這個藍(lán)色的這段實(shí)際上指的就是電池的有效容量，我們這個技術(shù)就是為了把實(shí)際的有效容量盡量的往上或者往下擴(kuò)展。
2.2 傳統(tǒng)的電池包側(cè)電量監(jiān)測計(jì)
傳統(tǒng)的電池包電量監(jiān)測技術(shù)是這樣一個框架結(jié)構(gòu)的，電量監(jiān)測的芯片一般來講是放在電池包里面的，在這張圖里面虛線圍起來的部分就是電池包，這個電池包一般是有鋰電池電芯，也就是這里看到的一個電池電氣符號，還有紅色方塊所代表的電量監(jiān)測計(jì)，這個就是 TI 的器件所在的位置。還有就是控制 MOS 管的保護(hù)器，這個保護(hù)器是在電池過充或者過放的時候動作切換 MOS 對電池芯進(jìn)行保護(hù)，一般電池包里面還會放一個熱敏電阻，用來監(jiān)測電池包的溫度，那么除了左邊指的是手機(jī)或者平板電腦的系統(tǒng)板，在這塊系統(tǒng)板上跟電量計(jì)發(fā)生關(guān)系的主要是電源管理芯片和主機(jī)的處理器，主機(jī)的處理器通常是通過 I2C或者單線的 HDQ總線來讀取電量計(jì)里面的電量信息的。在這個電量信息得知的情況下，來決定現(xiàn)在有多少時間到電池完全放完，有些用戶要做某些事情的時候可以提示用戶現(xiàn)在電量是否足夠，這是一個傳統(tǒng)的解決方案，就是說把電量計(jì)放在電池包里面的解決方案，TI 在這方面主要的器件有 BQ27541、BQ27545 這 2 顆主要的芯片；我們后續(xù)還推出了 BQ27441，這是比較低成本的方案；我們還有 BQ27741，這把電量計(jì)和保護(hù)器做到一起的一個方案；我們還有 BQ28z560，這個也是包電量計(jì)和保護(hù)器做到一起的一個方案。2.3 系統(tǒng)側(cè)阻抗跟蹤電量監(jiān)測計(jì)
隨著技術(shù)的進(jìn)步，或者說 TI 的阻抗跟蹤技術(shù)的推出，現(xiàn)在出現(xiàn)了這樣一種運(yùn)用，把電量監(jiān)測計(jì)放在設(shè)備的主板一側(cè)，電池這一側(cè)就只有一個保護(hù)器和 MOS 管，還有熱敏電阻，當(dāng)然還有 1 個電芯在里面，這樣的話有什么好處呢？電池包的成本就大大的降低了，電池包的供應(yīng)商也比較好找了，因?yàn)樗央娏坑?jì)從電池包里面搬到了主機(jī)側(cè)，所以這樣的方案現(xiàn)在都是可行的，TI 同時提供對這 2 種方案的支持。還有 BQ28z550，這個方案是把電量計(jì)放在便攜設(shè)備的系統(tǒng)板上，這樣電池包里面就不需要放電量計(jì)了，這樣就可以降低電池包的成本，使得供應(yīng)商更容易找到，這種 TI 的電量計(jì)主要有 BQ27510、BQ27520，BQ27441 也是可以用在這個場合的，還有 BQ27425、BQ27421……等等芯片。2.4 電量監(jiān)測計(jì)有哪些功能？a、電池與用戶之間的通信b、測量：- 電池電壓- 充電或放電電流- 溫度c、提供：- 電池運(yùn)行時間和剩余容量- 電池健康狀況信息- 總體電池電源管理（工作模式）電量監(jiān)測計(jì)的主要功能是哪些呢？電量監(jiān)測計(jì)首先要完成系統(tǒng)和電池之間的通訊，系統(tǒng)要知道電池有多少電量，需要跟電量計(jì)之間的總線通訊，剛才說了 I2C 和單線的 HDQ 總線通訊來得到，在通訊的過程當(dāng)中，系統(tǒng)主要可以得到哪些信息呢？第 1 個是實(shí)測的模擬量信息，比如說電池的電壓、電池的充放電電流，還有電池的溫度。這些基本的模擬量信息作為一個電量計(jì)來講，它更重要的還要提供電池的容量信息，也就是剛才所說到的電池的剩余容量、電池的運(yùn)行時間，還有電池的健康狀況的信息，還有一個就是這個芯片本身要能夠完成工作狀況的轉(zhuǎn)變，也就是說它要從正常工作模式，轉(zhuǎn)到低功耗模式，實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)變，達(dá)到一個什么目的呢？達(dá)到一個節(jié)省電量的目的。2.5 如何實(shí)現(xiàn)電量監(jiān)測計(jì)
怎么實(shí)現(xiàn)電量監(jiān)測呢？第一種方法就是基于電壓的電量監(jiān)測，電量百分比或容量百分比把它看成是電池電壓的一個函數(shù)，這是從經(jīng)驗(yàn)上到得到的一個公式，當(dāng)然這種函數(shù)本身的表達(dá)式不一定要得到，它只要得到一個開路電壓和容量百分比對應(yīng)的表格就行了，這個表格各個點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)可以用差補(bǔ)的方法得到。還有一個方法就是庫侖計(jì)數(shù)，庫侖計(jì)數(shù)是對充進(jìn)電池或者電池里面放出的電流進(jìn)行積分所得到的一個能量。我們可以把電池看成我們汽車的油箱，這個油箱充進(jìn)多少油，放出多少油，就可以算出里面剩多少油，這也是一種比較直觀的根據(jù)生活經(jīng)驗(yàn)得到的一種算法?，F(xiàn)在最新的算法是阻抗跟蹤算法，這個算法其實(shí)它是依據(jù)實(shí)時的對電池的內(nèi)阻測量來得到電池的容量，它的公式就是圖中這個公式，剛才已經(jīng)列舉過，也就是電池的端電壓 V 等于電池的開路電壓減去電流乘以電池的內(nèi)阻，這個電流是指電池流進(jìn)或者流出的一個總電流。2.6 基于電壓的電量監(jiān)測計(jì)
下面先介紹一下基于電壓的電量監(jiān)測計(jì)，這張圖是一個電池的開路電壓曲線，這個方法的基本思路是對不同電壓我們用不同的格數(shù)來表示電池的容量，比如說在 4.2V 的時候用 4格來表示，這是滿格的電池；3.8V 的時候我可能用 3 格來表示電池的容量，3.6V 用 2 格；3.2V 可能就用 1 格來表示電池的容量，就是說用不同的格數(shù)來對應(yīng)不同的電池電壓，來表示電池的容量，這種方法精度比較差，通常用在低端的最早期出現(xiàn)的那些蜂窩電話，或者早期出現(xiàn)的數(shù)碼相機(jī)里面。這種方法會有一個什么問題呢？就是說在電流波動的時候這個會上下跳變，比如說我有一個放電電流的情況下，或者電流比較大的情況下，在放電的過程當(dāng)中大家可以看在紅顏色的這個箭頭地方，如果電流在這一點(diǎn)突然減小，或者說我突然變成 0 了，這個電壓很顯然的就會往抬，電壓一般抬到這一點(diǎn)的話，它的格數(shù)就會變成 2 格，再往下的時候這變化就會更明顯，再往下的時候電池格數(shù)可能接近 0 格或者用紅顏色來表示這個電池的格數(shù)，這個時候的跳變就會由紅顏色變成 2 格，這個時候就會來回跳，如果電流變化的情況下，比如說，他剛才打電話打到這里停掉了，電池就剩 2 格，他以為還有電，然后突然又來一個電話，一下就變成 0 了，所以這種表示誤差會比較大，因?yàn)榇蠹铱吹竭@里實(shí)際上是用 4 格來表示電池容量的，因?yàn)?1 格就對應(yīng)了 25%的容量，所以跳一格就有 25%的容量差，跳 2 格就有 50%的容量差，所以這種方法誤差比較大。誤差比較大的原因就是因?yàn)殡姵卮嬖趦?nèi)阻，在電流比較大的情況下，它的格數(shù)跳變會比較多。2.7 電池電阻
這個是電池開路電壓和端電壓的一個公式，剛才已經(jīng)講過電池的內(nèi)阻是溫度、電荷狀態(tài)和電池老化程度的一個函數(shù)；電池內(nèi)阻在 100 次充放電之后會增加一倍；同一批電池的阻抗偏差可能會在 10~15%；不同電池制造商或者質(zhì)量比較差的制造商內(nèi)阻偏差會更大。2.8 阻抗與溫度和 DOD 有關(guān)
這里對容量計(jì)算影響最大的或者最難得到的一個信息就是 I*Rbat，當(dāng)然 I 是比較容易得到的，只要測定流進(jìn)流出的電流就可以了，以現(xiàn)在的技術(shù)這個可以測到±1mA 的精度。那么這個 Rbat 相對來講就比較難一點(diǎn)測定，因?yàn)樗且鶕?jù) 2 個量計(jì)算得到的。這是阻抗與溫度和容量百分比的關(guān)系，這個關(guān)系剛才已經(jīng)講過了，基本上阻抗是隨溫度的降低而增加，隨著容量百分比的減少而增加，是這樣一個概念。2.9 新電池的阻抗差異
這個是阻抗的偏差，這個是一個什么樣的概念呢？就是說我們通常來講，使用的阻抗對電量計(jì)量影響比較大的哪個阻抗指的是在低頻狀態(tài)下的阻抗，是在 1mHZ 下的阻抗，實(shí)際上就是直流阻抗，而不是通常我們用市場上看到的內(nèi)阻測試儀測到的阻抗，那個阻抗是在 1KHZ下測到的電池內(nèi)阻，那個內(nèi)阻通常來講看上去比較小。上面是已經(jīng)介紹過的對容量計(jì)算精確度的影響的 3 個因素，是溫度、容量百分比和老化程度，這些會給容量的計(jì)算造成影響，這個影響是指用電壓來監(jiān)測電量的方法的影響。除了這些因素的影響，如果用的是電壓監(jiān)測的方法，那么還有一個影響也是不可忽略的，而且這個影響也比較難處理，這是很多電量管理的工程師頭痛的一個問題，就是電池有瞬態(tài)響應(yīng)的問題。2.10 電池-瞬態(tài)響應(yīng)
大家從這 2 張圖可以看一下，電池在比較滿充的情況下放電，前面這條曲線是表示一個放電的過程，放到這個時候電壓比較低了，然后負(fù)載移除，這個時候電池的電壓并不是立刻回到電流為 0 的時候，因?yàn)榇蠹蚁氲截?fù)載移除電流就變 0 了，這個時候的電壓有沒有回到電流為 0 的電壓呢？沒有。它是慢慢的回上去的，它花了很長時間才回上去，大家看到這條曲線。大家平時的經(jīng)驗(yàn)也可以證明這一點(diǎn)，就是說平時一個電池放電之后，然后你把負(fù)載拿掉，它的電壓是在不斷的變化的，那么這個電壓變化穩(wěn)定的過程要多長時間呢，大家看到這這一點(diǎn)大概是 1600 秒，基本上要穩(wěn)定下來是到 3500 秒，大概有 2000 秒左右的時間，才能穩(wěn)定下來，這個是電壓在 3.8V 到 3.9V 左右進(jìn)行的放電，也就是說電池這個時候還沒有飽。根據(jù)剛才介紹的在電池比較飽的情況下，也就是在電池容量百分比比大的情況下，電池的內(nèi)阻這個時候是比較小的，電池內(nèi)阻比較小的情況下它恢復(fù)的還算快的。下面這張圖大家可以看到這邊的電壓是比較低了，從 3.3V 左右開始放電，放了一段時間后，這個時間也很短，因?yàn)殇囯姵仉妷罕容^低的情況下，稍微放一會電，接近到 3.2V 系統(tǒng)最低能夠接受的電壓，這個時候如果停在放電，這個電壓需要多長時間回上去呢，基本上要更長的時間，比如 3000 秒以上的時間才能夠把電壓穩(wěn)定下來，所以在這段時間之內(nèi)，它的電壓是不夠穩(wěn)定的，但是沒有負(fù)載，電流是一直是 0，這個時候你去讀電壓，電壓是一直變化的，對應(yīng)的容量百分比到底是多少呢？這個時候就會產(chǎn)生誤差。2.11 電壓弛豫和電荷狀態(tài)誤差
大家可以看到在 20 至 3000 秒之間電壓的差異可以超過 20mV,那么 20mV 這個電壓值在計(jì)算容量的時候，它已經(jīng)可以造成很大的容量偏差了，尤其在電壓放電的平坦區(qū)這個階段，它可以造成很大的容量偏差，所以電池的瞬態(tài)響應(yīng)會對用電壓來監(jiān)測的計(jì)量方法造成比較大的誤差。在這條曲線當(dāng)中，這條曲線是把電池的放電曲線倒過來了，這個縱坐標(biāo)變成了容量百分比，橫坐標(biāo)是電池的電壓，這張圖表示的什么意思呢？就是說在這個階段其實(shí)是電池處于中間階段，如果把這個平臺拉長一點(diǎn)，你就可以看到在這段的時候電壓變化是比較緩慢的，容量變化就是比較大，也就是說在這段你是用電壓來監(jiān)測容量的，那么這個電壓稍微有一點(diǎn)點(diǎn)誤差就會造成容量上面很大的誤差。右邊這張圖指的是在不同的電壓下面對應(yīng)容量的誤差，大家可以看到，在電壓的中間點(diǎn)，也就是放電曲線的電壓平坦，也就是 3.7 到 3.8V 左右，這段時間對應(yīng)的誤差是最大的，這段時間對應(yīng)的誤差可以到 15%，這就是電壓方法來計(jì)算容量造成的誤差。所以基于電壓監(jiān)測計(jì)量的誤差主要是有這幾方面造成的，1 個是弛豫誤差，就是剛上說的電池在負(fù)載移除之后電壓的恢復(fù)時間，這里的一個典型值是 20mV 的弛豫測量誤差，實(shí)際的誤差會比這個弛豫誤差遠(yuǎn)遠(yuǎn)要大，大家可以在電池放空之后看一下，放空剛結(jié)束的時候到電壓穩(wěn)定下來，它們的電壓誤差其實(shí)是很大的。還有就是 15%的電池間的電阻誤差，剛才說過，同一個供應(yīng)商生產(chǎn)的同一批電池如果他的工藝過程控制得比較好的情況下，這些電池的內(nèi)阻偏差可能會有 15%，這還是比較好的情況，那如果不同的供應(yīng)商，或者供應(yīng)商過程控制比較差的情況下，這個電池間的電阻誤差會更大。在左邊這張圖上我們就可以看到紅色的指的是由于電池的瞬態(tài)效應(yīng)造成的弛豫誤差，上面淺藍(lán)色的這個曲線是電池個體阻抗之間的偏差造成的誤差，這 2 個綜合起來總的偏差大概可以到 15%左右，這個是對新電池的 15%，還是在電流控制得比較好的情況下得到的一個測試結(jié)果。2.12 基于電壓之電量監(jiān)測的 SOC 誤差
大家知道對于電池的容量計(jì)算還有一個比較大的影響因素就是電池的使用年限，在這張圖上面，在不同使用年限下測得的誤差，紅色的表示的是第 1 次或者第 0 次得到的周期得到的誤差曲線，這個曲線就是我們這張圖標(biāo)的 15%左右的，最后標(biāo)在這里的就是 15%，那么 100次之后大家知道阻抗其實(shí)增加了 1 倍，剛才那張圖大家也可以看到，在 100 次循環(huán)之后電池的內(nèi)阻增加了 1 倍，按照這個規(guī)律繼續(xù)上去誤差會越來越大，阻抗的誤差對容量造成的誤差也相應(yīng)的越來越大，所以基本上在 300 個周期之后，在容量比較低的情況下造成的誤差就會很大，75%或者更多一點(diǎn)，所以基于電壓測量的電量計(jì)算技術(shù)只能夠用于那些要求不高的場合，它的誤差比較大，通常在早期的 diqital camera 里面的電池是用這種方法來計(jì)算它的容量的，那么對這個容量計(jì)算造成影響最大的就是電池的內(nèi)阻，造成電池內(nèi)阻變化比較大的原因就是電池制作上的工藝造成電池內(nèi)阻的偏差，另外一個就是電池使用時間的延遲造成電池的內(nèi)阻也會發(fā)生很大的變化，這些變化工程師也很難知道一個準(zhǔn)確模型的，只能根據(jù)經(jīng)驗(yàn)去估計(jì)，這樣估計(jì)出來的結(jié)果和實(shí)際的結(jié)果就會有比較大的偏差。
3、基于電壓的電量監(jiān)測計(jì)
3.1 基于電壓的電量監(jiān)測計(jì)
a、優(yōu)勢
- 無需完全放電就能進(jìn)行學(xué)習(xí)
- 自放電無需矯正
- 在小負(fù)載電流條件下非常準(zhǔn)確
b、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
總結(jié)一下，基于電壓的電量監(jiān)測計(jì)它的缺點(diǎn)就是由于電池內(nèi)部阻抗的原因造成準(zhǔn)確度不好。阻抗、溫度、老化狀態(tài)和電池的容量百分比之間是存在一個函數(shù)關(guān)系的，這個函數(shù)關(guān)系相當(dāng)復(fù)雜，要專業(yè)搞電池的人才能夠找到一個比較近似的函數(shù)關(guān)系，很難找到一個精確的函數(shù)關(guān)系，所以這種模型相當(dāng)復(fù)雜，一般的電子工程師或軟件工程師要寫出很精確的關(guān)系是很難的，所以大家在軟件計(jì)算里面有關(guān)容量方面的計(jì)算是工程師們最頭痛的一個問題，那么它也有一些優(yōu)勢，優(yōu)勢是它不需要完全放電就能夠得到電池現(xiàn)在的容量是多少。
因?yàn)樽鲞^電池、電池包生產(chǎn)，或者用過電量計(jì)的人都知道一個電量計(jì)出廠之前一般可能要進(jìn)行一個完全的充放電。為什么要進(jìn)行充放電呢？這是要定位現(xiàn)在電池的容量是多少，電池的滿充電量是多少，尤其是電池的滿充容量，不同的電池滿充容量是有差別的，當(dāng)然你可以選一個電池的設(shè)計(jì)容量，但是不同的電池與設(shè)計(jì)容量之間的偏差還是比較大的，要得到這個滿充容量，還是要做一個完整的充放電才行，那么具體的充放電對生產(chǎn)過程的要求就比較高了，要加上很多的直接成本。
另外，電池有自放電的特性。電池放在那里，即使負(fù)載不工作，電池自己也會漏電，時間長了以后電量會越來越少，電壓會越來越低，那么電壓監(jiān)測的電量計(jì)它只要根據(jù)電壓來判斷容量，所以現(xiàn)在有多少電壓就報告多少容量，那么自放電多少不用去太關(guān)心，所以這種基于電壓的電量計(jì)如果在電流很小的情況下，它還是達(dá)到一定的準(zhǔn)確度的，但是目前來講，各種應(yīng)用越來越復(fù)雜，電流的變化也越來越大，所以基于電壓的電量監(jiān)測計(jì)要滿足客戶的要求就有點(diǎn)難了。
3.2 基于庫倫計(jì)數(shù)的電量監(jiān)測
除了基于電壓的電量監(jiān)測計(jì)，還有一種電量計(jì)就是庫侖計(jì)數(shù)的電量監(jiān)測技術(shù)。這個電量監(jiān)測計(jì)的思路就是，首先把一個電池充到滿，充滿過程中就能夠知道電池的現(xiàn)有容量，就是電池的滿充容量，然后在放電過程當(dāng)中把電池的放電容量從現(xiàn)有容量中扣去就可以得到現(xiàn)在電池里面還剩多少容量。它的思路其實(shí)就是電流對時間的一個積分來得到放出多少容量，從而得到電池里面剩多少容量。用這種技術(shù)每次放電結(jié)束的時候放出容量都會有一個記錄，這個記錄的容量就作為電池的滿充容量，所以每次放完結(jié)束的時候 Qmax 會被更新，也就是電池的化學(xué)容量和最大容量都會被更新。3.3 在完全放電之前進(jìn)行學(xué)習(xí)
理論上是這樣，但實(shí)際在更新電池的滿充容量或化學(xué)容量的時候，不一定會把電池完全放空了再去更新，因?yàn)檫@時更新電池電壓就很低了，有可能系統(tǒng)要關(guān)機(jī)或者有什么情況，這個時候就已經(jīng)太晚了，通常的更新是在電池容量放到還剩 7%左右進(jìn)行更新，這個更新的思路是說到容量到了 7%，意味著放掉了 93%的容量，如果對剛才放掉的容量進(jìn)行積分就會放掉容量的 mAh 數(shù)，用這個 mAh 數(shù)除以 93%就可以得到滿充容量，這樣也達(dá)到了學(xué)習(xí)的效果，所以一般學(xué)習(xí)不會放到 0%的時候再去，一般在 7%的時候去學(xué)習(xí)。至于學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)的是電池的滿充容量，有了滿充容量之后，對放電的電流進(jìn)行積分，才能夠算出現(xiàn)在剩多少容量，所以滿充電池的電量對電量的計(jì)算也是比較重要的。至于 7%和 3%對應(yīng)的電壓是多少，這取決于當(dāng)時的電流、溫度和阻抗。一般在室溫電流恒定，同一批電池阻抗相差不是太大的情況下，這個電壓也可以認(rèn)為基本恒定，因?yàn)樵?7%的時候是 3.5V，這個時候電壓偏差造成容量的偏差不會太大，所以可以在 7%時進(jìn)行修正。3.4 經(jīng)補(bǔ)償?shù)姆烹娊K止電壓（CEDV）
剛才講到 7%這一點(diǎn)其實(shí)是在給定的溫度、電流或者同一批電池的情況下，這一點(diǎn)的電=壓基本固定了，但是實(shí)際上它的電流不可能是一個固定的電流，在使用的過程中電流總是會在不停的變化的，那么 7%對應(yīng)的電壓也是不同的，也就是不同的電流對應(yīng)的 7%是不一樣的。在這一條曲線中，放電電流為 I1，I1 對應(yīng)的電壓在這條曲線當(dāng)中是 3.5V，用 CEDV2來表示，CEDV2 是 I1 的函數(shù)，如果這個電流發(fā)生變化了，同樣用 7%的電壓來修正，這個誤差就大了，從 CEDV 的曲線中可以看到，7%對應(yīng)的電壓實(shí)際還有 30%剩余容量，如果按照 7%去進(jìn)行同步或?qū)W習(xí)，去修正滿充容量，就會有 23%的容量丟了，所以這個時候就造成了一個大的誤差，所以這個算法就要根據(jù)電流來對 7%這點(diǎn)的電壓進(jìn)行修正，7%這點(diǎn)的電壓我叫做 CEDV2，把這一點(diǎn)的電壓找到跟電流的函數(shù)關(guān)系，不同的電流下得到不同的電壓。所以在電流 I2 的情況下，我們得到 CEDV2 其實(shí)它的電壓比 3.5V 要低一點(diǎn)，CEDV2(I2)實(shí)際是根據(jù)復(fù)雜的計(jì)算得到的，它的公式大概的是這樣的: CEDV=OCV(T,SOC)-I*R(T,SOC) ，CEDV 的 C 是補(bǔ)償?shù)?，EDV 是終止放電電壓，也就是經(jīng)過補(bǔ)償?shù)慕K止放電電壓實(shí)際是等于電池的開路電壓減去由于內(nèi)阻造成的壓降。關(guān)鍵是在這個公式里面 OCV(T,SOC)可以找到一個跟曲線匹配比較好的函數(shù)，而且這個曲線也不大會變化，但是后面這個曲線它是 T 和 SOC的函數(shù)，這個曲線就很難找一個匹配的函數(shù)，所以說這個公式相當(dāng)復(fù)雜。由于內(nèi)阻差異性的存在，這個公式使用過程當(dāng)中它的準(zhǔn)確度是有限制的，不是說在整個放電過程當(dāng)中這個公式都是通用的，通常我們用這個公式算的時候，在 7%以下是用這個公式算的，也就是 R（T,SOC）這樣一個函數(shù)關(guān)系式，這在我們的 datasheet 里面是可以找到的，適用的范圍僅僅只是 7%或 12%以后的范圍。這樣的其實(shí)也夠了，因?yàn)樾拚感枰?7%左右修正就行了，所以它適用的范圍小這個問題不大，那么 12%以前還是用庫侖計(jì)算來進(jìn)行積分，庫侖計(jì)算積分造成的誤差可以在 12%以后通過電壓修正來得到補(bǔ)償，這就是 CEDV算法的簡單思路。這個公式反應(yīng)的其實(shí)是阻抗、溫度和 SOC 之間的一個關(guān)系，這種關(guān)系反應(yīng)的是電池的阻抗，這個公式里面一般參數(shù)定了之后，阻抗、溫度和容量百分比的關(guān)系就定了，實(shí)際上隨著電池使用年限的增加，內(nèi)阻是肯定會變的，但是這個公式其實(shí)沒有反應(yīng)電池的內(nèi)阻和使用年限之間的差異，這個公式不能夠反應(yīng)出這個差異，當(dāng)然我們后續(xù)的算法當(dāng)中加了改進(jìn)，加了一些線性的補(bǔ)償，這個可以在我們的同 CEDV 的芯片里面，比如 TI 的BQ3060，早一點(diǎn)的 BQ2084，BQ2085 這幾個是用 CEDV 算法來做的。3.5 電池管理產(chǎn)品-電池電量監(jiān)測-BQ3060
3.6 基于庫倫計(jì)數(shù)的電量監(jiān)測a、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）b、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 較少幅度：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)確與老化相關(guān)的主要參數(shù)：阻抗
基于庫侖計(jì)數(shù)的電量監(jiān)測它的優(yōu)勢是什么呢？因?yàn)樗饕歉鶕?jù)電流積分來進(jìn)行電量計(jì)算的，所以電壓測量的失真對它的影響就比較小，電流有多準(zhǔn)，是由電路積分的硬件來決定的，整 CEDV 算法如果你參數(shù)控制得比較好，誤差可以控制在 3%甚至更低一點(diǎn)，如果參數(shù)和實(shí)際電池的模型匹配可能會大一點(diǎn)，大概整個誤差在 3~10%左右，具體取決于工作的條件和用途。它的劣勢就是剛才說的，因?yàn)樗怯脦靵鲇?jì)數(shù)，也就是說充進(jìn)去多少電、放出了多少電來進(jìn)行容量計(jì)算的，前提是它要知道電池的滿充容量，才能夠算出電池里面剩多少容量。這個滿充容量一般要在出廠之前更新一下，因?yàn)殡姵氐臐M充容量和剩余容量偏差還是比較大的，不能夠直接用電池的剩余容量當(dāng)滿充容量來做，所以電池出廠以前都要做一個充放電周期循環(huán)來得到電池的滿充容量，根據(jù)循環(huán)來得到滿充容量是電量計(jì)自己來做的，但循環(huán)是需要在生產(chǎn)線上配備專門的工具來做的，所以這個比較耗時間。還有電池的容量也會隨著使用年限的增加而下降，當(dāng)然下降得不像阻抗那樣的顯著，但是 100 次充放電之后也會有 3~5%的下降，這個下降也要想辦法進(jìn)行補(bǔ)償，為什么呢？因?yàn)槟阍趯?shí)際使用的情況下，不是每一次放電都能夠得到學(xué)習(xí)的，因?yàn)槲覀兊挠秒娫O(shè)備拿出去（手機(jī)或筆記本電腦）放電，它不一定會從滿充的情況下一直放到空，或者放到 93%以下讓你去更新滿充容量，一般可能放電到一半，或者稍稍放一下電就立刻把適配器給插上了，這種情況下放電就很淺，它不一定有機(jī)會去更新滿充容量，在沒有更新的情況下，每充電 10 次監(jiān)測的誤差將增加 1%，這樣的話 Qmax 不更新它的誤差就會越來越大，所以在實(shí)際使用過程當(dāng)中，如果用老式的電量計(jì)，大家如果有這樣的經(jīng)驗(yàn)，筆記本電腦拿出去一個月可能要讓它全充全放一次，讓它不斷的去更新里面的 Qmax 的參數(shù)，做得相對準(zhǔn)確。還有一個就是對電池的自放電進(jìn)行估計(jì)，它是不準(zhǔn)確的，因?yàn)橄駝偛潘f的基于電壓的電量監(jiān)測技術(shù)，電池有多少電量，它判斷電壓然后去查一下表現(xiàn)在剩多少，至于電池在內(nèi)部放了多少電，它是不用關(guān)心的。如果是庫侖計(jì)的話，它主要不是根據(jù)電壓來判斷容量的，它是根據(jù)電流的充放電來判斷容量的，電池內(nèi)部的充放電，庫侖計(jì)的監(jiān)測芯片是監(jiān)測不到這種電流的，因?yàn)閹靵鲇?jì)是接在電池外面的，只能監(jiān)測到電池流進(jìn)流出的電流，電池內(nèi)部耗掉的電流它是測不到的，所以每次放電放了多少它只能用一個簡單的模型去估計(jì)一下，所以這個結(jié)果也不是很準(zhǔn)確，使用年限延遲之后也會造成誤差的增加，所以這里面有個比較大的因數(shù)就是電池的老化，庫侖計(jì)在處理老化上面，它的辦法比較受局限，老化造成的影響，一個是容量會隨著老化的增加而減少，另外一個老化以后電池阻抗會增加。剛才說到電池的阻抗增加的時候，電池的 CEDV計(jì)算誤差也會變大，因?yàn)樵谶@個公式里面這個阻抗只跟溫度和容量百分比有關(guān)，加進(jìn)了對容量的估計(jì)，這個估計(jì)其實(shí)也是一個線性的，跟實(shí)際的電池還是有一定的差異，所以這個電池年限的增加阻抗對容量造成的貢獻(xiàn)來講誤差會越來越大。所以 CEDV 算法它考慮到了電池阻抗對電壓的修正，但它沒有考慮到電池阻抗隨時間變化的因素，或者說考慮得比較簡單。所以傳統(tǒng)的電量監(jiān)測方法在沒有負(fù)載的情況下可以用電壓監(jiān)測的方法來得到比較準(zhǔn)確的容量，在有負(fù)載的情況下可以用庫侖計(jì)數(shù)來得到容量，所以這兩種方法算是互補(bǔ)的。其實(shí)在市場上可以買到的芯片基本上也是把這 2 種方法結(jié)合起來使用的。3.7 對于典型電量監(jiān)測計(jì)的優(yōu)勢
3.8 電池管理產(chǎn)品-電池電量監(jiān)測-BQ3060
3.9 問題考查
所以不管是基于電壓的電量監(jiān)測計(jì)還是基于電流積分的電量監(jiān)測計(jì)，里面對容量的計(jì)算影響比較大的都是阻抗，這個阻抗里面對于老化造成的影響都是基于一個簡單的線性模型來做的，或者說早期的就沒有這一部分老化的影響，這樣由于它依據(jù)的模型相對比較簡單，所以實(shí)際上跟電池的匹配成功比較差，也就是說造成的誤差會隨著時間年限的延長越來越明顯，所以對電池電量計(jì)算影響最大的一個因數(shù)其實(shí)是電池的阻抗，如果能夠隨時隨地的得到電池的阻抗，那我們電池的容量就可以得到比較精確的計(jì)算。
4、阻抗跟蹤技術(shù)的優(yōu)勢
下面我們就來介紹 TI 的電量監(jiān)測技術(shù)（我們叫做阻抗跟蹤技術(shù)）和它的優(yōu)勢。
4.1 電流監(jiān)測
-基于電壓的電量監(jiān)測：可在無負(fù)載條件下提供精準(zhǔn)的監(jiān)測
-基于庫倫計(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)行時間
剛才講到基于電壓的電量監(jiān)測技術(shù)可以在沒有負(fù)載的條件下提供比較準(zhǔn)確的電量監(jiān)測，基于庫侖計(jì)數(shù)的電量監(jiān)測可以在有負(fù)載提供準(zhǔn)確的電量監(jiān)測，我們的阻抗跟蹤技術(shù)其實(shí)整合了電壓和電流方法監(jiān)測的優(yōu)點(diǎn)，它為什么能夠得到 2 種方法的優(yōu)點(diǎn)呢？
因?yàn)樗鼘?shí)時的測量電池的阻抗，它沒有去找一個電池阻抗的公式然后對一些因數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償，它是找到了一個實(shí)時測量阻抗的方法，因?yàn)樗菍?shí)時測量出來的，就沒必要去根據(jù)模型來對它進(jìn)行補(bǔ)償。在知道電池阻抗的情況下，可以根據(jù)開路電壓和阻抗信息來估算在給定的電流下面系統(tǒng)或者電池能夠提供多長運(yùn)行時間或者提供多少容量給系統(tǒng)運(yùn)行。這個公式在這個地方就更加細(xì)化了一點(diǎn)，也就是說電池的端電壓等于電池的開路電壓減去內(nèi)阻上面的壓降，內(nèi)阻上面的壓降主要是由于電池的內(nèi)阻造成的，內(nèi)阻這個地方是由溫度、容量百分比、年限 3 個因素共同決定的，但是如果你要用一個公式來表示這個內(nèi)阻的話，就會相當(dāng)復(fù)雜，而且效果也不理想。我們的辦法其實(shí)是對阻抗進(jìn)行實(shí)時的測定。
4.2 OCV 曲線的比較
阻抗測定這東西基本的思路是怎么樣的呢？電池的電壓我們在實(shí)際使用的過程當(dāng)中，電池端電壓會隨著很多情況發(fā)生改變，剛才已經(jīng)講過了，電池的端電壓可能會隨著電流的大小發(fā)生改變，電池的端電壓當(dāng)然也會隨著容量百分比發(fā)生變化，在同樣的百分比，同樣的電流下，電池的端電壓可能還和溫度有關(guān)系，和電池的老化程度還有關(guān)系，但是這只是我們看到的表面現(xiàn)象，其實(shí)更本質(zhì)的來說電池內(nèi)部的開路電壓曲線或者說電池的電動勢它是跟這些外面的因數(shù)對它的影響相對來說不是那么明顯，可以找到一些共同性的東西，不同廠商生產(chǎn)的電池在給定的測試條件下，比如說在同樣的溫度下，這個曲線誤差是很小的。這條曲線是我們綜合了 5 家電池制造商做出來的電池測出來的開路曲線，大家看到這些開路曲線基本上是一致的，那么它們是在同樣的溫度下測出來的曲線，因?yàn)樗情_路電壓，也談不上電流，當(dāng)然它的測定過程也是相當(dāng)繁瑣的，因?yàn)樗玫诫娏鹘茷?0 的狀態(tài)下的開路曲線，它的測試過程還是比較繁瑣的，在這條曲線上我們可以看出，這條曲線基本上不會隨著制造商不同發(fā)生變化，制作賞因?yàn)楣に嚥煌赡茏杩股蠒斜容^大的變化，但這條開路電壓曲線基本上大家都是一致的，大多數(shù)的電壓偏移小于 5mV，由這個電壓來進(jìn)行 SOC 的預(yù)測誤差一般在1.5%之內(nèi)，所以一旦找到這樣的曲線，對不同的電芯供應(yīng)商做出來的電池就可以用同樣的曲線來進(jìn)行計(jì)算，這個曲線的計(jì)算可以知道電池的開路電壓，可以反過去查出電池的容量百分比，主要就是這樣一個曲線。知道電池電容容量百分比之后，知道電池的化學(xué)容量或者滿充容量，就可以知道它剩多少 mAh 的電量，那就可以算出運(yùn)行多長時間，后續(xù)的容量百分比可以進(jìn)一步的計(jì)算出來。下面這張圖是誤差的放大圖，這個誤差在整個放電過程當(dāng)中，這是一個電壓誤差，包括測定設(shè)備的影響，這個誤差在±15mV 之間，這樣的誤差大概在容量的誤差、SOC 的計(jì)算誤差是在±1.5%之內(nèi)，為什么呢？因?yàn)檫@個地方的電壓誤差還跟儀器的測量精度有關(guān)系，儀器的測量精度這些都考慮進(jìn)來之后，所造成的容量百分比誤差在 1.5%之內(nèi)。4.3 怎樣測量 OCV
5、電量監(jiān)測5.1 電量監(jiān)測
這張圖也是一樣的，這張圖不是一個新電池，相對來講是一個比較舊的電池。它也是放到3.5V 關(guān)斷和在剩 10mAh 容量的時候關(guān)斷，在這種情況下它的時間大概增加了 58% 。
這是在低溫下的情況，低溫下時間延長的效應(yīng)更明顯，因?yàn)榈蜏叵碌膬?nèi)阻增加了很大，在這里使用的時間延長了 121% 。
在這種測試條件下它的負(fù)載電流變化更大，這種情況下它甚至可以延長到 290%，為什么呢？因?yàn)槿绻诘蜏叵略谶@個地方它就要關(guān)機(jī)了，這個時間相當(dāng)短，剛開始放電還沒放多久就要關(guān)機(jī)了，那么如果用了阻抗跟蹤技術(shù)呢，可以繼續(xù)放 80 多分鐘才關(guān)機(jī)，因?yàn)橹灰Ａ?10mAh 容量關(guān)機(jī)就足夠了，所以這可以延長很多時間，我不是絕對的根據(jù)電壓做一個剛性的指標(biāo)決定它要不要關(guān)機(jī)的，是根據(jù)剩余容量來決定要不要關(guān)機(jī)的，這樣的話只有用阻抗跟蹤技術(shù)才可以算出到多久必須關(guān)機(jī)，所以用阻抗跟蹤技術(shù)可以大大的改善用戶體驗(yàn)，用戶體驗(yàn)在現(xiàn)在的便攜式的消費(fèi)類電子產(chǎn)品當(dāng)中對擴(kuò)大銷量、帶來競爭優(yōu)勢它是一個很重要的因數(shù)。
所以阻抗跟蹤技術(shù)它的優(yōu)勢就是，具體更深入的講它在有些地方可以，剛才介紹的是比較直觀的可以想到的一些優(yōu)勢，其實(shí)阻抗跟蹤技術(shù)里面隨著算法的不斷改善在使用過程當(dāng)中電池的溫度不斷的上升下降引起的阻抗變化加入了溫度模型的估計(jì)，引入了熱模擬來對電池的發(fā)熱進(jìn)行調(diào)節(jié)，而且對使用過程當(dāng)中對負(fù)載的變化也做了一個學(xué)習(xí)，就是說一個用戶的使用習(xí)慣下對一個用電設(shè)備，它的電流的變化是有一定的規(guī)律的，那么阻抗跟蹤的芯片在使用過程當(dāng)中它會慢慢去學(xué)習(xí)這個規(guī)律，掌握由于負(fù)載變化引起的電壓降，這些壓降其實(shí)對容量計(jì)算也是要考慮的，也要考慮這些因數(shù)的，當(dāng)然之前也講到對于老化的電池由于阻抗跟蹤是實(shí)時的計(jì)算電池的阻抗的，它對老化的電池不需要用模型去進(jìn)行估計(jì)，它是實(shí)測出來的阻抗，所以老化的影響相對來講對它就比較小。由于它精確的計(jì)算容量，可以最大限度的延長使用時間，大家從剛才的那幾張圖上可以很明顯的看到。有了阻抗跟蹤的芯片我們的主機(jī)系統(tǒng)就不需要任何算法再去計(jì)算電池的容量，只需要簡單的讀取指定的寄存器就可以得到容量。有了阻抗跟蹤技術(shù)你還可以對電池徹徹底底的進(jìn)行一些分析，比如說電池的老化程度、電池的健康狀況……等等。5.2 得到使用的電池容量的含義
還有一個優(yōu)勢在什么地方呢？就是隨著阻抗跟蹤技術(shù)的使用，電池的容量得到更準(zhǔn)確的計(jì)算，在電池容量更準(zhǔn)確的計(jì)算的情況下，其實(shí)這個電量計(jì)就可以給你帶來成本上的節(jié)省了。對電池來講，通常 100mAh 的容量它的成本大概在 0.15 美元左右。舉一個例子，由于降低放電終止電壓來得到較大的電池容量，這里的 TV 值就是放電的終止電壓，降低 500mV 大約可以增加 5%的容量，比如說本來的 3.5V 降低 3V，這 500mV 這個容量可以增加 5%，就1500mAh 的電池它其實(shí)大概就節(jié)省了 5%，75mAh 的容量，這個時候就是幫你省掉了 0.1 美金。當(dāng)然這個只是 0.1 美金，但隨著電池的老化而言降低 500mV 增加的容量就不是 5%了，而是 50%，這樣的話節(jié)省的大概是 1 美元，當(dāng)然這是對 1500mAh 容量而言，隨著電池容量越來越大，因?yàn)楝F(xiàn)在的智能設(shè)備耗電量越來越高，所以會越來越大，那么這個節(jié)省的錢就越來越多。5.3 由于監(jiān)測不準(zhǔn)而造成的損失
所以客戶在設(shè)計(jì)系統(tǒng)的時候不能光考慮到一個芯片帶來的多少成本，也應(yīng)該考慮到它為你選用電池降低了多少成本，因?yàn)橛辛俗杩垢櫦夹g(shù)這種比較準(zhǔn)確的電量計(jì)算芯片，選用的電池容量就可以比較精確一點(diǎn)，不需要留有過多的余量，由于監(jiān)測不準(zhǔn)給客戶帶來的損失這在現(xiàn)實(shí)生活當(dāng)中有很多。舉個例子來講，如果客戶每天進(jìn)行充放電，3 個月時間大概是 90天，大概充電 90 次，電池內(nèi)阻就要增加 1 倍，這個時候說 100 次電池就會老化 1 倍，如果你沒有采用阻抗跟蹤的電量監(jiān)測計(jì)，那個時候電池的阻抗增加了 1 倍，會造成電量計(jì)算的誤差，由于它原有的電量計(jì)是按照比較小的內(nèi)阻來計(jì)算電量的，實(shí)際的內(nèi)阻已經(jīng)增加了 1 倍了，那么它計(jì)算出來的內(nèi)阻勢必會有比較大的誤差。它會造成一種什么情況呢？它會告訴你比較多的運(yùn)行時間，但實(shí)際的運(yùn)行時間比這小得多，結(jié)果造成突然關(guān)機(jī)，這個突然關(guān)機(jī)對系統(tǒng)的影響是很大的，我們的筆記本電腦突然關(guān)機(jī)可能造成系統(tǒng)的崩潰，那么用戶的感覺就是這個電池的使用時間大大的縮短了，而這個縮短可能不是由于電池的老化造成的。電池的保質(zhì)期可能為 1~2 年，那么這個地方才使用了 3 個月的時間，就出現(xiàn)了系統(tǒng)突然崩潰這種狀況，客戶可能會由此要求退貨，那么這樣反而會造成公司的經(jīng)濟(jì)損失，所以這個是舉個例子來講，由于電量計(jì)不準(zhǔn)造成經(jīng)濟(jì)損失。5.4 總結(jié)a、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)行時間的重要性絲毫不弱于降低設(shè)計(jì)方案的功耗及采用強(qiáng)健的電池b、可用的電量監(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所以就便攜式電池產(chǎn)品而言，準(zhǔn)確的監(jiān)測計(jì)對于獲得長運(yùn)行時間的重要性并不亞于降低設(shè)計(jì)方案的功耗和采用強(qiáng)健的電池。因?yàn)槟阋獜?qiáng)健的電池，你就要更多的 mAh，這個實(shí)際上是要增加成本的。那如果用準(zhǔn)確的電量計(jì)，最大限度的算出系統(tǒng)可用的容量，這樣就可以用相當(dāng)來講容量比較低的電池，這樣可以帶來成本上的節(jié)省?？捎玫碾娏坑?jì)方案有很多，它們一般來講都是基于電壓監(jiān)測或者庫侖計(jì)數(shù)兩種方案的折中，很少用單純的電壓監(jiān)測或者單純的用庫侖計(jì)數(shù)。我們 TI 的方法基本上是最好的結(jié)合了兩者的優(yōu)點(diǎn)做出來的一個電量監(jiān)測的方法。
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