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锂离子电池及电池电量计介绍

2024-3-19 10:29| 发布者: 闪电| 查看: 10| 评论: 0

摘要: 1. 锂离子电池介绍1.1 荷电状态 (State-Of-Charge;SOC)荷电状态可定义为电池中可用电能的状态,通常以百分比来表示。因为可用电能会因充放电电流,温度及老化现象而有不同,所以荷电状态的定义也区分为两种:绝对荷 ...


为消除累积误差,在正常的电池操作中有三个可能可使用的时间点:充电结束(EOC),放电结束(EOD)和休息(Relax)。充电结束条件达到表示电池已充满电且荷电状态(SOC)应为100%。放电结束条件则表示电池已完全放电,且荷电状态(SOC)应该为0%;它可以是一个绝对的电压值或者是随负载而改变。达到休息状态时,则是电池旣没有充电也没有放电,而且保持这种状态很长一段时间。若使用者想用电池休息状态来作库仑计量法的误差修正,则此时必须搭配开路电压表。下图显示了在上述状态下的荷电状态误差是可以被修正的。

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图十、消除库仑计量法累积误差的条件

造成库伦计量法准确度偏差的第二主要因素是完全充电容量(FCC)误差,它是由电池设计容量的值和电池真正的完全充电容量的差异。完全充电容量(FCC) 会受到温度,老化,负载等因素影响。所以,完全充电容量的再学习和补偿方法对库仑计量法是非常关键重要的。下图显示了当完全充电容量被高估和被低估时,荷电状态误差的趋势现象。

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图十一、完全充电容量被高估和被低估时,误差的趋势

2.4 动态电压算法电量计

动态电压算法电量计仅根据电池电压即可计算锂电池的荷电状态。此法是根据电池电压和电池的开路电压之间的差值,来估计荷电状态的递增量或递减量。动态电压的信息可以有效地仿真锂电池的行为,进而决定荷电状态SOC(%),但此方法并不能估计电池容量值(mAh)。

它的计算方式是根据电池电压和开路电压之间的动态差异,借着使用迭代算法来计算每次增加或减少的荷电状态,以估计荷电状态。相较于库仑计量法电量计的解决方案,动态电压算法电量计不会随时间和电流累积误差。库仑计量法电量计通常会因为电流感测误差及电池自放电而造成荷电状态估计不准。即使电流感测误差非常小,库仑计数器却会持续累积误差,而所累积的误差只有在完全充电或完全放电才能消除。

动态电压算法电量计仅由电压信息来估计电池的荷电状态;因为它不是由电池的电流信息来估计,所以不会累积误差。若要提高荷电状态的精确度,动态电压算法需要用实际的装置,根据它在完全充电和完全放电的情况下,由实际的电池电压曲线来调整出一优化的算法的参数。

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图十二、动态电压算法电量计和增益优化的表现

下面是动态电压算法在不同放电速率条件下,荷电状态的表现。由图可知,它的荷电状态精确度良好。不论是在C/2,C/4,C/7和C/10等的放电条件下,此法整体的荷电状态误差都小于3%。

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图十三、不同的放电速率条件下,动态电压算法的荷电状态的表现

下图显示在电池短充短放情况下,荷电状态的表现。荷电状态误差仍然很小,且最大误差仅有3%。

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图十四、在电池短充短放的情况,动态电压算法的荷电状态的表现

相较于库仑计量法电量计通常会因为电流感测误差及电池自放电而造成荷电状态的不准的情形,动态电压算法它不会随时间和电流累积误差,这是一个大优点。因为没有充/放电电流的信息,动态电压算法在短期精确度上较差,且反应时间较慢。此外,它也无法估计完全充电容量。然而,它在长期精确度上却表现良好,因为电池电压最终会直接反应它的荷电状态。



3. RT9428电池电量计及测试

3.1 RT9428简介

RT9428是一用于行动装置主机侧的电量计芯片。所内置的电量计功能,计算荷电状态是根据电池电压及开路电压之间的动态差异,来估计荷电状态递增或递减量。
RT9428RT9420具有相同的功能,只是封装类型不同。RT9428是WL-CSP-8B1.6x1.52(BSC)的封装和RT9420则是WDFN-8L 2x3的封装。

图十五、RT9420RT9428的封装及其接脚的定义

以下为RT9428的应用电路,使用RC滤波器过滤IC电源供应及VBAT接脚电压量测上的噪声。为减少电阻造成的压降,连接时尽量使VBAT脚和电池靠近。当侦测到电池容量低时,ALERT脚会提供电池低容量的中断信号给系统处理器。QS脚在一般情况下不用,而直接接到GND。

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图十六、RT9428的应用电路

使用动态电压算法的RT9428可提供稳定的荷电状态,且不会随时间和电流而有累积误差。相较于库仑计量法会因为电流感测误差及电池自放电而造成荷电状态的不准的情形,这是一个优点。下表是动态电压算法和库仑计量法两者之间的比较。

解决方案

优点

缺点

开路电压查表法

• 仅须量测电压,不用感测电流
• 电路设计较容易

• 动态负载时,荷电状态较不准

库仑计量法

• 可产出剩余电容量(mAh)
• 可产出荷电状态SOC(%)
• 可补偿动态负载效应
• 单一次放电时,有较精确的SOC

• 需完全充、放电的循环
• 需电流感测电阻
• 有累积误差

动态电压算法

• 不需完全充、放电的循环
• 不需量测电流即可计算SOC(%)
• 没有累积误差

• 动态负载时,响应较慢
• 不能产出剩余电容量(mAh)



3.2 RT9428 温度补偿

根据章节1.1,在不同温度下,电池特性也将不同。在软件驱动器来作电量计温度补偿之前,先判定在不同温度下的电池参数,一般温度是选在5/25/45°C之下。然后,软件驱动器会周期性地检查系统的温度,再根据温度把对应的参数(VGCOMP)写回RT9428。以下为软件程序代码可为参考。

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图十七、RT9428软件驱动器的程序代码



3.3 测试条件

定义:

理想的荷电状态:荷电状态是测试完成后,根据实际充放电容量及完全容量计算而来。理想的荷电状态在测试完成后只能重新计算,因为实际的放电容量是在放电完成后才计算出来的。荷电状态:电量计回报的荷电状态完全充电容量:完全充电容量在测试完成后是透过电流对时间来积分计算出来的荷电状态误差:计算的荷电状态和理想的荷电状态之间的差异

以下为测试RT9420/RT9428电量计功能的各种条件:
- 定电流放电、充电测试
- 定功率放电测试
- 实际手机测试

测试的方块示意图

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图十八、从电量计透过 I2C界面和测试器或手机存取SOC,VBAT



3.4 定电流放电测试范例

测试以确认电量计可提供在不同负载、温度条件下准确的荷电状态回报。测试条件为以C/4,C/7定电流放电,直至电压降至3.3V,温度分别在5/25/45°C下。

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图十九、定电流放电的测试结果


3.5 定功率放电测试范例

在不同负载下,电量计确可提供精确的荷电状态回报。测试条件:分别为3W、4W、5W的定功率放电,直至电压降至3.2V。

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图二十、定功率放电测试结果


3.6 实际手机测试范例

用实际手机作测试,电量计确可提供精确的荷电状态。测试条件:动态及正常放电直到手机自动关机状态。正常充电直到手机自动停止充电。

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图二十一、实际手机测试结果

12

路过

雷人

握手

鲜花

鸡蛋

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