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。

下圖顯示同樣的電池電壓分別在充放電之下,透過開路電壓法所查得的荷電狀態差異很大。

同樣的電池電壓分別在充放電之下,透過開路電壓法所查得的荷電狀態差異很大

下圖可知,放電時不同負載之下,荷電狀態的差異也是很大。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。

放電時不同負載之下,荷電狀態的差異也是很大

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。

庫侖計量法

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)。

剩余電容量(RM)及完全充電容量(FCC)

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。

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

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。

荷電狀態誤差被修正

造成庫倫計量法準確度偏差的第二重要因素是完全充電容量(FCC)誤差,它是由電池設計容量的值和電池真正的完全充電容量的差異。完全充電容量(FCC)會受到溫度,老化,負載等因素影響。所以,完全充電容量的再學習和補償方法對庫侖計量法是非常關鍵重要的。

完全充電容量被高估和被低估時荷電狀態誤差的趨勢現象

2.4動態電壓算法電量計

動態電壓算法電量計僅根據電池電壓即可計算鋰離子電池的荷電狀態。此法是根據電池電壓和電池的開路電壓之間的差值,來估計荷電狀態的遞增量或遞減量。動態電壓的信息可以有效地仿真鋰離子電池的行為,進而決定荷電狀態SOC(%),但此方法并不能估計電池容量值(mAh)。

它的計算方式是根據電池電壓和開路電壓之間的動態差異,借著使用迭代算法來計算每次新增或減少的荷電狀態,以估計荷電狀態。相較于庫侖計量法電量計的解決方法,動態電壓算法電量計不會隨時間和電流累積誤差。庫侖計量法電量計通常會因為電流感測誤差及電池自放電而造成荷電狀態估計不準。即使電流感測誤差非常小,庫侖計數器卻會持續累積誤差,而所累積的誤差只有在完全充電或完全放電才能消除。

動態電壓算法電量計僅由電壓信息來估計電池的荷電狀態;因為它不是由電池的電流信息來估計,所以不會累積誤差。若要提高荷電狀態的精確度,動態電壓算法要用實際的裝置,根據它在完全充電和完全放電的情況下,由實際的電池電壓曲線來調整出一優化的算法的參數。

動態電壓算法電量計

下面是動態電壓算法在不同放電速率條件下,荷電狀態的表現。由圖可知,它的荷電狀態精確度良好。不論是在C/2,C/4,C/7和C/10等的放電條件下,此法整體的荷電狀態誤差都小于3%。

動態電壓算法在不同放電速率條件下荷電狀態的表現

電池短充短放情況下荷電狀態的表現

相較于庫侖計量法電量計通常會因為電流感測誤差及電池自放電而造成荷電狀態的不準的情形,動態電壓算法它不會隨時間和電流累積誤差,這是一個大優點。因為沒有充/放電電流的信息,動態電壓算法在短時間精確度上較差,且反應時間較慢。此外,它也無法估計完全充電容量。然而,它在長期精確度上卻表現良好,因為電池電壓最終會直接反應它的荷電狀態。