電池容量的影響因素及計(jì)量方案

移動(dòng)電話問(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(duì)我們而言，它們就像在過(guò)去100年里發(fā)揮著重要作用的汽車(chē)燃料指示器一樣重要，唯一不同的是：司機(jī)不能容忍的是不準(zhǔn)確的燃料指示，而手機(jī)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?yàn)榭梢蕴峁┳罡叩哪芰棵芏?體積密度和重量密度)，它們被廣泛用于從移動(dòng)電話到電動(dòng)汽車(chē)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(jī)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(xiǎn)，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(duì)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(qiáng)烈的反應(yīng)，因此鋰電池采用非液態(tài)的有機(jī)鋰鹽作為電解質(zhì)。對(duì)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(shù)(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(shí)受溫度的影響更大，這些曲線顯示了一個(gè)完全充滿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(duì)應(yīng)曲線的差值。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(nèi)部存在不期望的化學(xué)反應(yīng)，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(yīng)的速度受溫度影響，因此自放電與溫度有關(guān)。對(duì)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(gè)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(shí)間的影響，無(wú)論使用與否，其容量在出廠后即開(kāi)始逐漸下降。25℃時(shí)，這種效應(yīng)可以導(dǎo)致一個(gè)完全充滿的電池每年損失20%的電量;40℃時(shí)損失35%。對(duì)于沒(méi)有完全充滿電的電池，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(shù)據(jù)手冊(cè)規(guī)定了特定條件下的放電特征曲線，其中一個(gè)影響電池電壓的因素是負(fù)載電流。但是，負(fù)載電流無(wú)法通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的源電阻建模，因?yàn)樵撾娮枞Q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(kāi)發(fā)人員比較青睞這一特性，因?yàn)殡姵厮峁┑碾妷捍笾虏蛔儭Ｈ欢?，隨著電池的放電，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(cè)方法，檢測(cè)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(cè)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(lài)于溫度以及動(dòng)態(tài)釋放效應(yīng)(降低負(fù)載電流時(shí)會(huì)使端電壓輕微回升)。因此，單純的電壓檢測(cè)方案很難保證電量監(jiān)測(cè)精度高于25%。電量的相對(duì)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(shù)的確定需要監(jiān)測(cè)流入、流出的電荷量 —— 一種所謂的“庫(kù)侖計(jì)”法。實(shí)際的庫(kù)侖計(jì)是通過(guò)對(duì)流入、流出電池的電流進(jìn)行累計(jì)計(jì)算實(shí)現(xiàn)的。用高分辨率ADC測(cè)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(shù)之間的函數(shù)關(guān)系，電池容量還要依靠經(jīng)驗(yàn)確定。目前還沒(méi)有詳盡的分析模型(具有足夠精度)用于計(jì)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(duì)充電水平，這些模型用于特定條件并進(jìn)行整體校準(zhǔn)。為了達(dá)到足夠高的電量計(jì)量精度，必須不斷地對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn) —— 采用所謂的電量“學(xué)習(xí)”方式，配合庫(kù)侖計(jì)，這種方法可以使電量計(jì)量精度達(dá)到幾個(gè)百分點(diǎn)以?xún)?nèi)。