電池電量監測基礎知識1什么是電池電量監測技術?電池電量監測是一種用于在所有的系統運行及空閑情況下預測電池容量的技術。電池容量百分比至電量耗盡/充滿的時間毫安時(mAh)瓦時(Wh)通話時間、閑置時間，等可獲得用于反映電池健康狀況及安全診斷的其他數據。健康狀態滿充電容量73%運行時間6:23概要電池化學成分基本知識傳統的電池電量監測方法基于電壓庫侖計數阻抗跟蹤技術及其優勢電池電量監測基礎知識

第一部分：電池化學成分基本知識4鋰離子電池放電曲線：最優運行時間隨著放電速率、溫度和老化情況改變關斷電壓可提供盡可能長的運行時間電池化學容量QmaxEDV=每節電池3.0VQmax

電池容量(Qmax)：在達到放電終止電壓(EDV)之前可從滿充電電池提取的

電荷量。EDV是應用或電池化學成分可接受的最小電壓。負載電流：<0.1CCBATRBAT電池容量：1C放電速率1C：在一小時內將一節電池完全放電所需的電流示例：2200mAh電池，

1C放電速率：2200mA，1小時0.5C速率：1100mA，2小時3.6V(電池額定電壓)12345603.03.54.04.5容量，Ah電壓，V4.23.63.02.4電池電壓(V)開路電壓(OCV)EDVQmaxI?RBATQuse放電電流較高時將更早地達到EDV?？捎萌萘縌use<QmaxRBATOCV+-I+-V=OCV

-I*RBAT可用容量QuseQmaxQuse電池電阻?阻抗=f(T,SOC和老化)電阻在100次充放電之后將增加一倍電池之間的電阻偏差為10-15%不同制造商的電池電阻偏差可達10-15%電荷狀態(SOC)4.23.63.02.4電池電壓(V)OCVEDVQmaxQ狀態A對于滿充電電池，SOC=1(DOD=0)

對于完全放電電池，SOC=0(DOD=1)

阻抗在很大程度上取決于溫度、電荷狀態及老化

阻抗與溫度和DOD有關完全放電滿充電DOD=1-SOC(電荷狀態)SOC=1(滿充電電池)SOC=0(完全放電電池)SOC：電荷狀態DOD：放電深度阻抗和容量隨老化而改變在100次充電之后化學容量減少3-5%電池阻抗隨老化而增加阻抗在100次充電之后幾乎增加一倍。020406080100電池容量%4.23.923.633.353.072.782.50電池電壓(V)第1次充電第100次充電Rbat新電池的阻抗差異低頻(1mHz)阻抗偏差為15%在1C速率放電、40-mV壓差下，會引起±26%的最大SOC誤差00.0620.0840.110.130.15R(Z)--Im(Z)-0.050.02501mHz1kHz制造商11mHz1kHz00.0420.0640.0860.110.13R(Z)--Im(Z)-0.050.0250制造商2LC1RSERRhfR1R2C2I?RBAT4.23.63.02.4電池電壓(V)OCVEDVQmax狀態ARM1RM2電池剩余容量(RM)RM在不同的放電速率下是不一樣的。RM：從當前狀態至EDV的電池容量電池化學成分概要Qmax=電池化學容量(無負載)Quse=可用容量(與負載有關)電池電阻和負載產生I-R壓降SOC=電荷狀態(%，取決于OCV)RM=剩余容量(取決于負載)電池老化會影響阻抗和容量電池電量監測基礎知識

第二部分：傳統的電池電量監測方法15目標：充分利用可用的電池容量+0%20%40%60%80%100%容量充電電壓容差由于電量監測不準確所導致的關斷不確定性

可用容量實際上也許只用了80-90%！

高準確度的電量監測可延長電池的運行時間實際的有效容量PACK-電池包TS保護器電量監測計PACK+I2C/HDQ主機處理器TIOMAP電源管理GPIO傳統的電池包側電量監測計產品示例：BQ27541BQ27545BQ27741BQ27741BQ28z560主機微處理器TIOMAP電源管理GPIO電量監測計便攜式設備PACK-PACK+TS電池包保護器系統側阻抗跟蹤電量監測計產品示例：BQ28z550BQ27510BQ27520BQ27435BQ27421BQ27441BQ27410電量監測計有哪些功能呢？電池與用戶之間的通信測量：電池電壓充電或放電電流溫度提供：電池運行時間和剩余容量電池健康狀況信息總體電池電源管理（工作模式）如何實現電量監測計?基于電壓：SOC=f(VBAT)庫侖計數：

阻抗跟蹤：實時電阻測量?基于電壓的電量監測計4.23.43.0電池電壓(V)開路電壓(OCV)EDV電池容量QmaxQuse3.8

應用：低端蜂窩電話、數碼相機(DSC)…

脈動的負載會導致電池容量指示條上下浮動

僅在非常低的電流下準確I?RBAT電池電阻

阻抗=f(溫度,電荷狀態,和老化)電阻在100次充放電之后將增加一倍電池之間的電阻偏差為10-15%不同制造商的電池電阻偏差可達10-15%?阻抗在很大程度上取決于溫度、電荷狀態及老化阻抗與溫度和DOD有關完全放電滿充電DOD=1-SOC(電荷狀態)SOC=1(滿充電電池)SOC=0(完全放電電池)SOC：電荷狀態DOD：放電深度新電池的阻抗差異低頻(1mHz)阻抗偏差為15%在1C速率放電、40-mV壓差下，會引起±26%的最大SOC誤差00.0620.0840.110.130.15R(Z)--Im(Z)-0.050.02501mHz1kHz制造商11mHz1kHz00.0420.0640.0860.110.13R(Z)--Im(Z)-0.050.0250制造商2LC1RSERRhfR1R2C2*兩項測試均采用C/3放電速率電流完全弛豫需要大約2000秒的時間在不同的時刻具有不同的電壓20至3000秒之間的電壓差異超過20mV電池–瞬態響應3.8303.8553.8803.90501000200030004000時間（秒）電池電壓(V)LC1RSERRhfR1R2C20500100015002000250030003500

時間（秒）3.2503.2753.3003.325電池電壓(V)負載移除負載移除

電壓弛豫和電荷狀態誤差±20mV壓差誤差取決于估計時刻的特定電壓最大誤差達到15%，平均誤差為5%3.23.453.73.954.3100500-50SOC%電池單元電壓(V)SOC%誤差3.23.453.73.954.3電池單元電壓(V)20100-10-20基于電壓之電量監測的SOC誤差新電池的誤差誤差隨老化的演變情況1511.257.53.750020406080100SOC%SOC誤差%20-mV弛豫測量誤差15%的電池間電阻容差

每充電100

次電池的電阻將增加一倍SOC誤差%020406080100SOC%1007550250?優勢無需完全放電就能進行學習自放電無需校正在小負載電流條件下非常準確劣勢由于內部電池阻抗的原因，準確度欠佳阻抗與溫度、老化和電荷狀態之間存在函數關系基于電壓的電量監測計電池處于滿充電狀態在放電過程中容量被積分每次發生完全放電時Qmax

都被更新基于庫侖計數的電量監測EDV：放電終止電壓Q01234563.03.54.04.5容量，Ah鋰離子電池單元電壓EDVQmax0.2C放電速率產品示例：BQ27010、BQ27210

基于庫侖計數的電量監測

產品示例：BQ27010、BQ27210BQ27010：/product/cn/bq27010BQ27210：

/product/cn/bq27210在完全放電之前進行學習當達到0%容量時再學習就太遲了針對給定的剩余容量百分比來設定電壓門限7%、3%剩余容量時的真實電壓取決于電流、溫度和阻抗012345633.544.5電壓(V)EDV00%3%7%EDV1EDV2容量Q(Ah)012345633.544.5電壓(V)7%CEDV2(I1)容量Q(Ah)經補償的放電終止電壓(CEDV)CEDV=OCV(T,SOC)-I*R(T,SOC)30%CEDV2(I2)7%

建模：R(SOC,T)，適用于新電池

計算任意電流(I)和溫度(T)條件下的CEDV2(7%)和CEDV1(3%)門限

對于老化的電池則不準確產品示例：BQ3060電池管理產品—電池電量檢測-BQ3060BQ3060/product/cn/bq3060參數基于庫侖計數的電量監測?與老化相關的主要參數：阻抗優勢不受電壓測量失真的影響準確度由電流積分硬件確定監測誤差：3-10%（取決于工作條件和用途）劣勢需要學習周期以更新Qmax

電池容量隨老化而下降Qmax減少幅度：3-5%（100次充電）在不學習的情況下，每充電10次監測誤差將增加1%自放電必須建模：不準確

在沒有負載的情況下（弛豫）可從OCV實現非常準確的電量監測對于典型電量監測計的優勢4.23.63.02.4電池電壓(V)開路電壓(OCV)EDV電池容量QmaxI?RBATQuse

在有負載的情況下，可利用庫侖計數實現非常準確的監測電池管理產品—電池電量檢測-BQ3060BQ3060/product/cn/bq3060BQ2084/product/cn/bq2084-v140問題考察4.23.63.02.4電池電壓(V)開路電壓(OCV)EDV電池容量QmaxI?RBATQuse

基于電壓的電量監測計：V=OCV(T,SOC)-IR(T,SOC,老化)

電流積分電量監測計：CEDV=OCV(T,SOC)-IR(T,SOC,老化)問題：電池阻抗電池電量監測基礎知識

第三部分：阻抗跟蹤技術的優勢38基于電壓的電量監測：可在無負載條件下提供準確的監測基于庫侖計數的電量監測：可在有負載條件下提供準確的監測整合了基于電壓和基于電流之監測方法的優勢實時阻抗測量采用開路電壓和阻抗信息來計算給定平均負載條件下的剩余運行時間。

ImpedanceTrackTM

電量監測V=OCV(T,SOC)-

I*R(T,SOC,Aging)對于所有被測試制造商的產品，OCV曲線皆很相似大多數的電壓偏移<5mV平均SOC預測誤差<1.5%對于來自不同制造商的同種化學成分電池，可以使用相同的數據庫OCV=f(SOC,T)曲線的比較500SOC%155-5-15電壓偏移(mV)1007550250SOC誤差%41.33-1.33-41007550250SOC%4.23.933.673.4開路電壓(OCV)曲線怎樣測量OCV?OCV測量允許SOC具有0.1%的最大誤差取消了自放電估測電池電壓(V)00.51.01.52.02.5時間（小時）4.24.14.03.93.83.7系統接通系統接通系統關斷怎樣測量阻抗?數據閃存包含一個固定的表格：OCV=f(SOC,T)IT算法：充電和放電期間的實時測量和計算。1007550250SOC%4.23.933.673.4開路電壓曲線OCVVBATIRBATV=OCV(T,SOC)-

I*R(T,SOC,老化)對于傳統電池容量學習的問題+裝運完全放電+完全充電+半放電

需要采用許多的測試設備并花費大量的時間。

用戶有可能永遠無法實現電池的完全放電以學習容量。

在不學習的情況下，每充電10次監測誤差就將增加1%。傳遞的電荷數量由精確的庫侖計數來確定SOC1和SOC2利用其OCV進行測量這種方法適用于充電或放電過程在未完全放電的情況下學習QmaxQ電池電壓(V)00.51.01.52.02.53.0時間（小時）4.24.14.03.93.8P1P2充電的起點測量點OCV00.51.01.52.02.53.0時間（小時）QP2P1放電的起點測量點OCV.current........電阻更新總容量更新電流積分積分模式與相關模式之間的合作放電弛豫充電電流積分電壓相關SOC

更新阻抗跟蹤電量監測計優點整合了基于電壓和庫侖計數這兩種電量監測方法各自的優勢在小電流(OCV)和大負載電流時均可提供準確監測棄用不準確的自放電模型（采用OCV讀?。τ谛码姵睾屠匣姵乜商峁┓浅蚀_的電量監測容量學習無需滿充電和完全放電產品示例：BQ

27510/product/cn/bq27510-g2

BQ27541/product/cn/bq27541-g1電量監測的好處可準確地報告電池的剩余運行時間可提供更好的電源管理可獲得更長的電池運行時間電源管理準確度：關斷所需的保護間隔較小可根據阻抗隨溫度、放電速率和老化情況改變關斷電壓按序關斷

當電池失效時可利用儲備能量自動地將數據保存至閃存電量監測可實現移動應用運行時間比較示例

ImpedanceTrackTM

監測計關斷與OCV關斷點的比較

不具備準確監測計的系統簡單地在某個固定電壓下關斷智能手機、平板電腦、便攜式醫療、數碼相機等需要備用電池能量來完成關斷任務許多設備都在3.5V或3.6V時關斷，以顧及備用容量最差的情況在此比較當中使用的是3.5V關斷監測計將計算剩余容量并改變關斷電壓，直到在所有情況下均確切地留有備用容量為止。使用10mAH備用容量電池的溫度和老化狀況是變化的電量監測

OCV與IT用例經驗值的比較–帶可變混合負載的新電池條件：新電池室溫(25°C)10mAh備用容量(用于關斷)運行時間（分鐘）電壓ImpedanceTrackTM監測計

關斷（在3.295V）

168分鐘運行時間采用TI監測計使運行時間延長了：+40%OCV關斷（在3.5V）

120分鐘運行時間電量監測

OCV與IT用例經驗值的比較–帶可變混合負載的舊電池條件室溫(25°C)10mAh備用容量（用于關斷）運行時間（分鐘）電壓ImpedanceTrackTM監測計關斷（在3.144V）

142分鐘運行時間OCV關斷（在3.5V）

90分鐘運行時間采用TI監測計使運行時間延長了：+58%電量監測

OCV與IT用例經驗值的比較–低溫條件下帶可變混合負載的新電池運行時間（分鐘）電壓ImpedanceTrackTM監測計關斷（在3.020V）

117分鐘運行時間OCV關斷（在3.5V）

53分鐘運行時間條件

電池低溫(0°C)10mAh備用容量（用于關斷）采用TI監測計使運行時間延長了：+121%條件

(0°C)低溫(0°C)10mAh備用容量（用于關斷）運行時間（分鐘）電壓監測計關斷（在3.061V）：

82分鐘運行時間OCV關斷（在3.5V）

21分鐘運行時間采用TI監測計使運行時間延長了：+290%電量監測

OCV與IT用例經驗值的比較–低溫條件下帶可變混合負載的舊電池電量監測–ImpedanceTrackTM

技術的優勢動態（學習）能力應用中的溫度可變性IT考慮到了由于溫度的上升/下降所引起的電池阻抗變化IT引入了熱模擬以針對自發熱進行調節負載變化IT將跟蹤由于高負載尖峰所引起的電壓降老化電池IT擁有針對因電池老化所致的可用容量變化進行調節的能力延長運行時間借助基于IT的監測計可采用較低的終止電壓靈活性電池特性分析主機系統無需執行任何計算或監測算法未得到使用的電池容量的含義

電池成本：每100mAh容量的平均成本為0.15美元較低的終止電壓(TV)=較大的電池容量對于新電池，TV降低500mV可增加大約5%的容量→就1500mAh電池而言節省了約0.10美元對于老化電池，TV降低500mV可增加大約50%的容量→可節省約1.00美元（就1500mAh電池而言）并延長運行時間！為制造商提供了節省成本的機會，同時還延長了最終用戶的電池運行時間由于監測不準確而造成的損失假設客戶每天進行一次充放電→3個月的使用時間=90天，大約充電90次→電池內部阻抗幾乎增加一倍→出現電池老化的情況未采用阻抗跟蹤的監測計→由于電池逐步老化的原因而產生了不準確的監測結果→短得多的運行時間乃至發生系統崩潰運營商的電池質保期可能為一年甚至兩年?？蛻粲捎诠收媳O測結果的緣故而將整部設備退貨→質保期內的退貨將使公司蒙受經濟損失基于阻抗跟蹤的監測計能夠延長電池運行時間，并避免發生因故障監測結果所致的一些代價高昂的退貨總結就便攜式電子產品而言，準確的監測計對于獲得長運行時間的重要性絲毫不亞于降低設計方案的功耗及采用強健的電池。可用的電量監測計有很多種，它們采用了不同的監測方法和不同的折衷方案。備用幻燈片：

阻抗跟蹤參考單節電池阻抗跟蹤(IT)

基本術語和關系OCV–開路電壓Qmax–最大電池化學容量（SOC1/SOC2

在OCV1/OCV2測量之后利用

OCV

表實現相互關聯）SOC–電荷狀態

（*從滿充電狀態）RM–剩余容量

（SOCstart

是當前的

SOC，SOCfinal

是系統終止電壓下的

SOC）FCC–滿充電容量指的是以某一給定的放電速率從滿充電狀態直至達到系統終止電壓的電荷傳遞量FCC=Qstart+PassedQ+