電池容量的影響因素及計量方案

移動電話問世后，可充電電池及其相關(guān)的電量指示已成為我們信息社會的一個組成部分。對我們而言，它們就像在過去100年里發(fā)揮著重要作用的汽車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(zhǔn)確的燃料指示，而手機用戶則希望得到高精度、高分辨率的電量指示器。

在解決了諸多技術(shù)問題后，直到1997年鋰離子電池才開始大批量生產(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電話到電動汽車的各種系統(tǒng)。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，這個過程被稱為植入。金屬鋰會與水發(fā)生強烈的反應(yīng)，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，鋰原子在陰極離子化，并通過電解質(zhì)傳遞至陽極。

電池容量

電池最重要的參數(shù)(除了電壓之外)是容量，單位為毫安時(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，但是電池出廠后，容量會發(fā)生變化。電池容量與電池溫度有關(guān)(圖1)，最上方的曲線顯示了鋰電池在不同溫度下恒流恒壓充電的過程。從該曲線可以看出，與-20℃下的充電數(shù)據(jù)相比，電池在較高溫度下大約可以多充入20%的電量。圖1下方的兩條曲線表示，電池放電時受溫度的影響更大，這些曲線顯示了一個完全充滿的電池在兩種不同放電電流下放電到截止點2.5V時的剩余電量，從這兩條曲線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與下方對應(yīng)曲線的差值。因此，在低溫或大電流放電時，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，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(nèi)部存在不期望的化學(xué)反應(yīng)，造成電量損失。常見的電池類型在室溫下的典型自放電率見表1。化學(xué)反應(yīng)的速度受溫度影響，因此自放電與溫度有關(guān)。對于不同類型的電池，自放電可以用一個并聯(lián)電阻消耗漏電流進行建模。

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

電池的數(shù)據(jù)手冊規(guī)定了特定條件下的放電特征曲線，其中一個影響電池電壓的因素是負(fù)載電流。但是，負(fù)載電流無法通過一個簡單的源電阻建模，因為該電阻取決于其它參數(shù)，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(xiàn)出非常平坦的放電曲線。系統(tǒng)開發(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，隨著電池的放電，電池電壓幾乎與剩余電量沒有關(guān)聯(lián)。

簡單不等于“捷徑”

為了確定電池的可用電量，首先要求使用簡單的檢測方法，檢測電路僅消耗微量功耗，允許用戶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(jié)果并不可靠。另外，電池電壓還依賴于溫度以及動態(tài)釋放效應(yīng)(降低負(fù)載電流時會使端電壓輕微回升)。因此，單純的電壓檢測方案很難保證電量監(jiān)測精度高于25%。電量的相對水平，通常稱為充電狀態(tài)(SOC)，是指剩余電量與電池容量的比。該參數(shù)的確定需要監(jiān)測流入、流出的電荷量 —— 一種所謂的“庫侖計”法。實際的庫侖計是通過對流入、流出電池的電流進行累計計算實現(xiàn)的。用高分辨率ADC測量該電流時，通常需要使用一個小電阻與電池陽極串聯(lián)。

由于無法確定電池SOC與上文提到的一些參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系，電池容量還要依靠經(jīng)驗確定。目前還沒有詳盡的分析模型(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(shù)、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行整體校準(zhǔn)。為了達到足夠高的電量計量精度，必須不斷地對模型參數(shù)進行校準(zhǔn) —— 采用所謂的電量“學(xué)習(xí)”方式，配合庫侖計，這種方法可以使電量計量精度達到幾個百分點以內(nèi)。