電池容量的影響因素及計量方案

移動(dòng)電話(huà)問(wèn)世后，可充電電池及其相關(guān)的電量指示已成為我們信息社會(huì )的一個(gè)組成部分。對我們而言，它們就像在過(guò)去100年里發(fā)揮著(zhù)重要作用的汽車(chē)燃料指示器一樣重要，唯一不同的是：司機不能容忍的是不準確的燃料指示，而手機用戶(hù)則希望得到高精度、高分辨率的電量指示器。

在解決了諸多技術(shù)問(wèn)題后，直到1997年鋰離子電池才開(kāi)始大批量生產(chǎn)。因為可以提供最高的能量密度(體積密度和重量密度)，它們被廣泛用于從移動(dòng)電話(huà)到電動(dòng)汽車(chē)的各種系統。鋰電池具有一些影響電量的關(guān)鍵特性，電池組必須包含各種安全機制，以防止電池過(guò)充電、深度放電或反向連接。由于鋰元素非?；钴S，有潛在的爆炸危險，因此鋰電池不可暴露于高溫環(huán)境。鋰離子電池的陽(yáng)極由碳化物組成，陰極由金屬氧化物組成，并且采用對晶格破壞最小的方式添加鋰，這個(gè)過(guò)程被稱(chēng)為植入。金屬鋰會(huì )與水發(fā)生強烈的反應，因此鋰電池采用非液態(tài)的有機鋰鹽作為電解質(zhì)。對鋰電池充電時(shí)，鋰原子在陰極離子化，并通過(guò)電解質(zhì)傳遞至陽(yáng)極。

電池容量

電池最重要的參數(除了電壓之外)是容量，單位為毫安時(shí)(mAh)，其定義是電池可提供的最大電量。制造商定義的容量為電池在特定放電條件下的值，但是電池出廠(chǎng)后，容量會(huì )發(fā)生變化。電池容量與電池溫度有關(guān)(圖1)，最上方的曲線(xiàn)顯示了鋰電池在不同溫度下恒流恒壓充電的過(guò)程。從該曲線(xiàn)可以看出，與-20℃下的充電數據相比，電池在較高溫度下大約可以多充入20%的電量。圖1下方的兩條曲線(xiàn)表示，電池放電時(shí)受溫度的影響更大，這些曲線(xiàn)顯示了一個(gè)完全充滿(mǎn)的電池在兩種不同放電電流下放電到截止點(diǎn)2.5V時(shí)的剩余電量，從這兩條曲線(xiàn)可以看出電池剩余容量與放電電流、溫度有關(guān)。在給定溫度和放電速率下，所能獲得的鋰電池容量是最上方曲線(xiàn)與下方對應曲線(xiàn)的差值。因此，在低溫或大電流放電時(shí)，鋰電池所能提供的容量將大幅減少。在低溫或大電流放電時(shí)，電池剩余電量較大，能夠在相同溫度下以較小的電流放電。

由于電解質(zhì)中混有雜質(zhì)，電池內部存在不期望的化學(xué)反應，造成電量損失。常見(jiàn)的電池類(lèi)型在室溫下的典型自放電率見(jiàn)表1?；瘜W(xué)反應的速度受溫度影響，因此自放電與溫度有關(guān)。對于不同類(lèi)型的電池，自放電可以用一個(gè)并聯(lián)電阻消耗漏電流進(jìn)行建模。

電池容量隨著(zhù)充放電次數的增加而減少，這種變化被量化為工作壽命，即一個(gè)電池在其容量降至初始容量80%之前的充、放電次數。典型鋰電池的工作壽命為 300次~500次充/放電次數。鋰電池壽命還受時(shí)間的影響，無(wú)論使用與否，其容量在出廠(chǎng)后即開(kāi)始逐漸下降。25℃時(shí)，這種效應可以導致一個(gè)完全充滿(mǎn)的電池每年損失20%的電量;40℃時(shí)損失35%。對于沒(méi)有完全充滿(mǎn)電的電池，這種老化過(guò)程較為緩慢：25℃時(shí)，殘余有40%電量的電池每年損失大約4%的電量。

電池的數據手冊規定了特定條件下的放電特征曲線(xiàn)，其中一個(gè)影響電池電壓的因素是負載電流。但是，負載電流無(wú)法通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的源電阻建模，因為該電阻取決于其它參數，例如電池老化程度和電量水平。與原電池相比，可充電鋰電池表現出非常平坦的放電曲線(xiàn)。系統開(kāi)發(fā)人員比較青睞這一特性，因為電池所提供的電壓大致不變。然而，隨著(zhù)電池的放電，電池電壓幾乎與剩余電量沒(méi)有關(guān)聯(lián)。

簡(jiǎn)單不等于“捷徑”

為了確定電池的可用電量，首先要求使用簡(jiǎn)單的檢測方法，檢測電路僅消耗微量功耗，允許用戶(hù)從電池電壓推算出電量水平(理想化)。然而，由于電壓與電量之間不存在明確的關(guān)系，因此檢測電池電壓所能提供的結果并不可靠。另外，電池電壓還依賴(lài)于溫度以及動(dòng)態(tài)釋放效應(降低負載電流時(shí)會(huì )使端電壓輕微回升)。因此，單純的電壓檢測方案很難保證電量監測精度高于25%。電量的相對水平，通常稱(chēng)為充電狀態(tài)(SOC)，是指剩余電量與電池容量的比。該參數的確定需要監測流入、流出的電荷量 —— 一種所謂的“庫侖計”法。實(shí)際的庫侖計是通過(guò)對流入、流出電池的電流進(jìn)行累計計算實(shí)現的。用高分辨率ADC測量該電流時(shí)，通常需要使用一個(gè)小電阻與電池陽(yáng)極串聯(lián)。

由于無(wú)法確定電池SOC與上文提到的一些參數之間的函數關(guān)系，電池容量還要依靠經(jīng)驗確定。目前還沒(méi)有詳盡的分析模型(具有足夠精度)用于計算特定工作條件下(例如溫度、充電次數、電流等)的容量。理論模型僅適用于確定條件，為了得到相對充電水平，這些模型用于特定條件并進(jìn)行整體校準。為了達到足夠高的電量計量精度，必須不斷地對模型參數進(jìn)行校準 —— 采用所謂的電量“學(xué)習”方式，配合庫侖計，這種方法可以使電量計量精度達到幾個(gè)百分點(diǎn)以?xún)取?/span>