鉅大LARGE | 點擊量：9410次 | 2019年06月19日
鋰電池充放電理論及電量計算方法詳解
1.1荷電狀態(State-Of-Charge;SOC)
荷電狀態可定義為電池中可用電能的狀態，通常以百分比來表示。因為可用電能會因充放電電流，溫度及老化現象而有不同，所以荷電狀態的定義也區分為兩種：絕對荷電狀態(AbsoluteState-Of-Charge;ASOC)及相對荷電狀態(RelativeState-Of-Charge;RSOC)。通常相對荷電狀態的范圍是0%-100%，而電池完全充電時是100%，完全放電時是0%。絕對荷電狀態則是一個當電池制造完成時，根據所設計的固定容量值所計算出來的的參考值。一個全新完全充電電池的絕對荷電狀態是100%;而老化的電池即便完全充電，在不同充放電情況中也無法到100%。
1.2最高充電電壓(MaxChargingVoltage)
最高充電電壓和電池的化學成分與特性有關。鋰電池的充電電壓通常是4.2V和4.35V，而若陰極、陽極材料不同電壓值也會有所不同。
1.3完全充電(FullyCharged)
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
當電池電壓與最高充電電壓差小于100mV，且充電電流降低至C/10，電池可視為完全充電。電池特性不同，完全充電條件也有所不同。
1.4最低放電電壓(MiniDischargingVoltage)
最低放電電壓可用截止放電電壓來定義，通常即是荷電狀態為0%時的電壓。此電壓值不是一固定值，而是隨著負載、溫度、老化程度或其他而改變。
1.5完全放電(FullyDischarge)
當電池電壓小于或等于最低放電電壓時，可稱為完全放電。
1.6充放電率(C-Rate)
充放電率是充放電電流相對于電池容量的一種表示。例如，若用1C來放電一小時之后，理想的話，電池就會完全放電。不同充放電率會造成不同的可用容量。通常，充放電率愈大，可用容量愈小。
1.7循環壽命
循環次數是當一個電池所經歷完整充放電的次數，是可由實際放電容量與設計容量來估計。每當累積的放電容量等于設計容量時，則循環次數一次。通常在500次充放電循環后，完全充電的電池容量約會下降10%~20%。
1.8自放電(Self-Discharge)
所有電池的自放電都會隨著溫度上升而增加。自放電基本上不是制造上的瑕疵，而是電池本身特性。然而制造過程中不當的處理也會造成自放電的增加。通常電池溫度每增加10°C，自放電率即倍增。鋰離子電池每個月自放電量約為1~2%，而各類鎳系電池則為每月10~15%自放電量。
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。
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)則提供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)。
主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，則此誤差會隨時間增加而增加。
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。
造成庫倫計量法準確度偏差的第二主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。
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增加或減少的荷電狀態，以估計荷電狀態。相較于庫侖計量法電量計的解決方案，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，動態電壓算法需要用實際的裝置，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。
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，動態電壓算法在短期精確度上較差，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。1972年美國科學家J.A.Mas提出蓄電池在充電過程中存在最佳充電曲線和他的馬斯三定律，需要注意的是，這個理論是針對鉛酸蓄電池提出的，其界定最大可接受充電電流的邊界條件是少量副反應氣體的產生，顯然這個條件與具體的反應類型有關。
但系統存在最優解的思想，卻是放之四海而皆準的。具體到鋰電池，界定其最大可接受電流的邊界條件可以重新定義。基于一些研究文獻的結論，其最優值仍然是類似馬斯定律的曲線趨勢。
值得注意的是，鋰電池的最大可接受充電電流的邊界條件，除了需要考慮鋰電池單體的因素，還需要考慮系統級別的因素，比如散熱能力不同，系統的最大可接受充電電流是不同的。然后我們暫且以這樣的基礎繼續向下討論。
馬斯定理的公式描述：
式中;I0為電池初始充電電流;α為充電接受率;t為充電時間。I0和α的值與電池類型、結構和新舊程度有關。
現階段對電池充電方法的研究主要是基于最佳充電曲線來開展的。如下圖所示，如果充電電流超過這條最佳充電曲線，不但不能提高充電速率，而且會增加電池的析氣量;如果小于此最佳充電曲線，雖然不會對電池造成傷害，但是會延長充電時間，降低充電效率。
對這個理論的闡述包含三個層次，是為馬斯三定律：
①對于任何給定的放電電流，蓄電池充電時的電流接受比α與電池放出的容量平方根成反比;
②對于任何給定的放電量，α與放電電流Id的對數成正比;
③蓄電池在以不同的放電率放電后，其最終的允許充電電流It(接受能力)是各個放電率下的允許充電電流的總和。
以上定理，也是充電接受能力這個概念的來源。先理解一下什么是充電接受能力。找了一圈，沒有看到統一官方的定義。按照自己的理解，充電接受能力就是在特定環境條件下，具備一定荷電量的可充電電池充電的最大電流。可以接受的含義是不會產生不應有的副反應，不會對電芯的壽命和性能造成不良影響。
進而理解一下三定律。第一定律，在電池放出一定電量以后，其充電接受能力與當前荷電量有關，荷電量越低，其充電接受能力越高。第二定律，充電過程中，出現脈沖放電，有助于幫助電池提高實時的可接受電流值;第三定律，充電接受能力會受到充電時刻以前的充放電情況的疊加影響。
如果馬斯理論也適用于鋰電池，則反向脈沖充電(下文中具體名稱為Reflex快速充電法)除了可以用去極化的角度解釋其對溫升抑制有幫助以外，馬斯理論也作為對脈沖方法的支撐。而更進一步的，真正將馬斯理論全盤運用的，是智能充電方法，即跟蹤電池參數，使得充電電流值始終因循鋰電池的馬斯曲線變化，使得在安全邊界以內，充電效率達到最大化。
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