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電壓法計算鋰離子電池容量
文章來(lái)源: 更新時(shí)間:2013/3/26 14:08:00
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鋰離子電池開(kāi)路電壓與電池容量的對應關(guān)系分析
  先給出一個(gè)表格:如下,百分比是電池的剩余容量,右側是對應的電池的開(kāi)路電壓(OCV).
  100%----4.20V
  90%-----4.06V
  80%-----3.98V
  70%-----3.92V
  60%-----3.87V
  50%-----3.82V
  40%-----3.79V
  30%-----3.77V
  20%-----3.74V
  10%-----3.68V
  5%------3.45V
  0%------3.00V 
  
  以下是這個(gè)表格的來(lái)龍去脈.  
  一.首先幾個(gè)概念解釋:
  1.OCV:open circuit voltage的縮寫(xiě),開(kāi)路電壓. 
  2.鋰離子電池:本篇討論的是目前手機上普遍采用的以4.2V恒壓限制充電的單節鋰離子電池.  
  3.mAh:電池容量的計量單位,實(shí)際就是電池中可以釋放為外部使用的電子的總數.
   折合物理上的標準的單位就是大家熟悉的庫侖.
   庫侖的國際標準單位為電流乘于時(shí)間的安培秒.
   1mAh=0.001安培*3600秒=3.6安培秒=3.6庫侖
   mAh不是標準單位,但是這個(gè)單位可以很方便的用于計量和計算.
   比如一顆900mAh的電池可以提供300mA恒流的持續3小時(shí)的供電能力.  
  4.fuel gauging:電量計量,原意是油量計量,后在電化學(xué)上被引用為電量計量的意思.
   最科學(xué)的并且是最原始的電池的電量計量方法是對流經(jīng)的電子流量的統計.即庫侖計(coulomb count).  
  ★要想獲得鋰離子電池的電量使用的正確情況,只有用庫侖計.就象大家家里面的水量計量用的水表的作用原理.要計算流經(jīng)的電荷的多少才能獲得鋰離子電池的電量使用情況.
  
  二.電壓與容量的關(guān)系
  但是鋰離子電池有一個(gè)對電量計量很有用的特性,就是在放電的時(shí)候,電池電壓隨電量的流逝會(huì )逐漸降低,并且有相當大的斜率.這就提供給我們另外一種近似的電量計量途徑.取電池電壓的方法.就好像測量水箱里面的水面高度可以大概估計剩余的水量這個(gè)道理一樣.但是實(shí)際上電池的電壓比水箱里面的平靜的水面高度測量要復雜的多.  
  用電壓來(lái)估計電池的剩余容量有以下幾個(gè)不穩定性:
  1.同一個(gè)電池,在同等剩余容量的情況下,電壓值因放電電流的大小而變化.
   放電電流越大,電壓越低.在沒(méi)有電流的情況下,電壓最高.
  2.環(huán)境溫度對電池電壓的影響, 溫度越低,同等容量電池電壓越低.
  3.循環(huán)對電池放電平臺的影響,
   隨著(zhù)循環(huán)的進(jìn)行,鋰離子電池的放電平臺趨于惡化.放電平臺降低.所以相同電壓所代表的容量也相應變化了.
  4.不同廠(chǎng)家,不同容量的鋰離子電池,其放電的平臺略有差異.
  5.不同類(lèi)型的電極材料的鋰離子電池,放電平臺有較大差異.鈷鋰和錳鋰的放電平臺就完全不同.
   以上這些都會(huì )造成電壓的波動(dòng)和電壓的差異,使電池的容量顯示變的不穩定
  ★★一臺手機上用電壓計量電池容量時(shí),因為手機不可能一直處于小電流的待機狀態(tài).暫時(shí)的大電流的損耗,比如開(kāi)背光, 放鈴聲,特別是通過(guò),都會(huì )造成電池電壓很快降低.此時(shí)手機顯示的容量要降低得比實(shí)際容量降低更多.而當大電流撤掉以后,電池的電壓會(huì )回升.這就會(huì )造成手機容量顯示反而上升這種不合理的現象.
  
  三.電池電壓對電池容量的表格
  說(shuō)了這么多,下面給出一個(gè)標準的電壓對電池剩余容量的表格(左側)
  以及大電流恒流放電是電池電壓對容量的表格(右側)  
  標準條件描述:
  1.室溫
  2.新的電池
  3.完全充飽以后進(jìn)行GSM模擬放電
  4.測量電池電壓時(shí),關(guān)斷放電回路,測量電池開(kāi)路電壓.排除放電電流對電壓的影響.
  5.選用鈷鋰的電池,因為目前手機上大多選用的是鈷鋰.錳鋰很少. 
  大電流恒流放電條件描述:
  1.室溫
  2.新的電池
  3.完全充飽以后進(jìn)行550mA的恒流放電
  4.測量電池電壓時(shí),不關(guān)斷放電回路,測量電池實(shí)際工作電壓.攜帶放電電流對電壓的影響.
  5.選用鈷鋰的電池,因為目前手機上大多選用的是鈷鋰.錳鋰很少. 
  ★★★★★
  具體數據如下,以10%的容量間隔進(jìn)行劃分

    OCV電壓對容量關(guān)系 550mA恒流放電電壓對容量關(guān)系
  100%----4.20V 100%----4.20V
  90%-----4.06V 90%-----3.97V
  80%-----3.98V 80%-----3.87V
  70%-----3.92V 70%-----3.79V▲
  60%-----3.87V 60%-----3.73V
  50%-----3.82V 50%-----3.68V
  40%-----3.79V▲ 40%-----3.65V
  30%-----3.77V 30%-----3.62V
  20%-----3.74V 20%-----3.58V
  10%-----3.68V 10%-----3.51V
  5%------3.45V 5%------3.42V
  0%------3.00V 0%------3.00V
  ★★★★★
  以上數據為我三年來(lái)對鋰離子電池測試的統計,
  因為電池電壓的影響因素實(shí)在太多,表中的僅供各位參考.  
  注意這里電池電壓與容量不是線(xiàn)性關(guān)系.也沒(méi)有其它公式可以套用.手機只能實(shí)現制備一個(gè)對應的表格來(lái)對照實(shí)際測量到的電壓,來(lái)近似取得電池的容量.  
  鋰離子電池的OCV放電電壓在4.20V到3.90V之間下降斜率較快.
  在3.8V前后有一個(gè)相對平緩的放電平臺
  在低于3.7V以后,電壓隨容量下降急劇降低到3.0V
  而對照的大電流放電(1C)的放電平臺出現在3.65V左右  
  由對比表格可以看到.
  如果長(cháng)時(shí)間處于大電流放電狀態(tài),當電壓降到3.79V時(shí),
  手機這個(gè)時(shí)候認為只有40%(參考左側)的電量.而實(shí)際電池應該還有70%的電量(參考右側).當手機重新進(jìn)入小電流待機時(shí),電池電壓會(huì )回升到對應左側的3.92V(70%).那么手機的容量顯示就會(huì )出現反跳現象.
  
  四.手機上采用測量電壓法來(lái)計量電池容量的具體應用:
  1.手機設計的電量顯示就是根據這個(gè)電壓對容量的關(guān)系來(lái)設置手機上電量的顯示.
  2.常用的電量格.有三格或四格的.以四格電量的顯示來(lái)講.
   各個(gè)手機設計時(shí)每一格代表的電量并不一定是平均的25%.
   實(shí)際情況往往可能是第一格代表了50%或者更多.第二格代表20%.....是一種不平均的分配.
   波導S1200的第一格電量就代表了前面的60%以上的電量.
   廈新A8的第一格電量代表了前面的70%左右的電量.
   其它三星手機,philips的都有各自不同的格子定義.
   當然采用這種原理的也有用百分比來(lái)顯示的(就象上面的百分比).
  3.但是只要是采用電壓來(lái)計量容量原理來(lái)工作的手機,這個(gè)電量就不可避免的存在下述弊端
   電量的精度(分辨率)不高.三格,四格或10格(就象上面的百分比).
   電量會(huì )出現反復變化,比如打完一個(gè)電話(huà)后從兩格降低到一格后,過(guò)一會(huì )兒又反彈回兩格這種現象.
  4.手機對電池電壓的采樣,一般會(huì )盡量采用低消耗電流時(shí)的電壓(比如待機時(shí)),
   這時(shí)獲得的電壓比較有參考價(jià)值.
   而且手機軟件會(huì )采用"多點(diǎn)采樣計算平均值"的算法來(lái)避免瞬間電流對電壓的干擾.
  5.手機里面設定容量格數的電壓臨界值是固定不變的.
   而電池隨著(zhù)循環(huán)的進(jìn)行或選用放電平臺很差的電池時(shí),其對應的剩余容量會(huì )出現很大的差異
   比如放電平臺高的電池,其第一格所代表的電量可以用3天,而循環(huán)了100次的電池和差的劣質(zhì)電池.
   其第一格電量卻只能用1到2天.甚至出現在電量為空格的時(shí)候卻還可以待機2天的怪異現象.
  6.在處理電壓反跳現象時(shí),有些手機會(huì )采用鎖定容量格數的一個(gè)算法.即容量顯示不反跳,但是當前的容量格數的使用時(shí)間會(huì )相對延長(cháng)一點(diǎn).
  7.有些早期的手機使用的是鎳氫電池或鎳鎘電池,
   同樣鎳基電池也可以繪出一個(gè)放電電壓對容量的關(guān)系.其原理也是一樣的.這里不另行詳細說(shuō)明.
  
  總之,采用測量電池電壓來(lái)計量電池容量是個(gè)簡(jiǎn)單易行,但是略顯粗糙的方法.
  真正高級的鋰離子電池電量計量只有采用庫侖計并使用高級的電量計量算法.

 
 
 
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