鋰離子電池容量計(jì)算之電壓法

鋰離子電池開路電壓與電池容量的對(duì)應(yīng)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(cè)是對(duì)應(yīng)的電池的開路電壓(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)表格的來龍去脈.

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一.首先幾個(gè)概念解釋:
1.OCV:open circuit voltage的縮寫,開路電壓.

2.鋰離子電池:本篇討論的是目前手機(jī)上普遍采用的以4.2V恒壓限制充電的單節(jié)鋰離子電池.

3.mAh:電池容量的計(jì)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(shù).
折合物理上的標(biāo)準(zhǔn)的單位就是大家熟悉的庫侖.
庫侖的國際標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)單位,但是這個(gè)單位可以很方便的用于計(jì)量和計(jì)算.
比如一顆900mAh的電池可以提供300mA恒流的持續(xù)3小時(shí)的供電能力.

4.fuel gauging:電量計(jì)量,原意是油量計(jì)量,后在電化學(xué)上被引用為電量計(jì)量的意思.
最科學(xué)的并且是最原始的電池的電量計(jì)量方法是對(duì)流經(jīng)的電子流量的統(tǒng)計(jì).即庫侖計(jì)(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(jì).就象大家家里面的水量計(jì)量用的水表的作用原理.要計(jì)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.

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二.電壓與容量的關(guān)系
但是鋰離子電池有一個(gè)對(duì)電量計(jì)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(dāng)大的斜率.這就提供給我們另外一種近似的電量計(jì)量途徑.取電池電壓的方法.就好像測(cè)量水箱里面的水面高度可以大概估計(jì)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(cè)量要復(fù)雜的多.

用電壓來估計(jì)電池的剩余容量有以下幾個(gè)不穩(wěn)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.在沒有電流的情況下,電壓最高.
2.環(huán)境溫度對(duì)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(duì)電池放電平臺(tái)的影響,
隨著循環(huán)的進(jìn)行,鋰離子電池的放電平臺(tái)趨于惡化.放電平臺(tái)降低.所以相同電壓所代表的容量也相應(yīng)變化了.
4.不同廠家,不同容量的鋰離子電池,其放電的平臺(tái)略有差異.
5.不同類型的電極材料的鋰離子電池,放電平臺(tái)有較大差異.鈷鋰和錳鋰的放電平臺(tái)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(wěn)定
★★一臺(tái)手機(jī)上用電壓計(jì)量電池容量時(shí),因?yàn)槭謾C(jī)不可能一直處于小電流的待機(jī)狀態(tài).暫時(shí)的大電流的損耗,比如開背光,放鈴聲,特別是通過,都會(huì)造成電池電壓很快降低.此時(shí)手機(jī)顯示的容量要降低得比實(shí)際容量降低更多.而當(dāng)大電流撤掉以后,電池的電壓會(huì)回升.這就會(huì)造成手機(jī)容量顯示反而上升這種不合理的現(xiàn)象.

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三.電池電壓對(duì)電池容量的表格
說了這么多,下面給出一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的電壓對(duì)電池剩余容量的表格(左側(cè))
以及大電流恒流放電是電池電壓對(duì)容量的表格(右側(cè))

標(biāo)準(zhǔn)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(cè)量電池電壓時(shí),關(guān)斷放電回路,測(cè)量電池開路電壓.排除放電電流對(duì)電壓的影響.
5.選用鈷鋰的電池,因?yàn)槟壳笆謾C(jī)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(cè)量電池電壓時(shí),不關(guān)斷放電回路,測(cè)量電池實(shí)際工作電壓.攜帶放電電流對(duì)電壓的影響.
5.選用鈷鋰的電池,因?yàn)槟壳笆謾C(jī)上大多選用的是鈷鋰.錳鋰很少.

★★★★★
具體數(shù)據(jù)如下,以10%的容量間隔進(jìn)行劃分

OCV電壓對(duì)容量關(guān)系 550mA恒流放電電壓對(duì)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
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以上數(shù)據(jù)為我三年來對(duì)鋰離子電池測(cè)試的統(tǒng)計(jì),
因?yàn)殡姵仉妷旱挠绊懸蛩貙?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性關(guān)系.也沒有其它公式可以套用.手機(jī)只能實(shí)現(xiàn)制備一個(gè)對(duì)應(yīng)的表格來對(duì)照實(shí)際測(cè)量到的電壓,來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(duì)平緩的放電平臺(tái)
在低于3.7V以后,電壓隨容量下降急劇降低到3.0V
而對(duì)照的大電流放電(1C)的放電平臺(tái)出現(xiàn)在3.65V左右

由對(duì)比表格可以看到.
如果長時(shí)間處于大電流放電狀態(tài),當(dāng)電壓降到3.79V時(shí),
手機(jī)這個(gè)時(shí)候認(rèn)為只有40%(參考左側(cè))的電量.而實(shí)際電池應(yīng)該還有70%的電量(參考右側(cè)).當(dāng)手機(jī)重新進(jìn)入小電流待機(jī)時(shí),電池電壓會(huì)回升到對(duì)應(yīng)左側(cè)的3.92V(70%).那么手機(jī)的容量顯示就會(huì)出現(xiàn)反跳現(xiàn)象.

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四.手機(jī)上采用測(cè)量電壓法來計(jì)量電池容量的具體應(yīng)用:

1.手機(jī)設(shè)計(jì)的電量顯示就是根據(jù)這個(gè)電壓對(duì)容量的關(guān)系來設(shè)置手機(jī)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講.
各個(gè)手機(jī)設(shè)計(jì)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(dǎo)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(jī),philips的都有各自不同的格子定義.
當(dāng)然采用這種原理的也有用百分比來顯示的(就象上面的百分比).
3.但是只要是采用電壓來計(jì)量容量原理來工作的手機(jī),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(xiàn)反復(fù)變化,比如打完一個(gè)電話后從兩格降低到一格后,過一會(huì)兒又反彈回兩格這種現(xiàn)象.
4.手機(jī)對(duì)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(jī)時(shí)),
這時(shí)獲得的電壓比較有參考價(jià)值.
而且手機(jī)軟件會(huì)采用"多點(diǎn)采樣計(jì)算平均值"的算法來避免瞬間電流對(duì)電壓的干擾.
5.手機(jī)里面設(shè)定容量格數(shù)的電壓臨界值是固定不變的.
而電池隨著循環(huán)的進(jìn)行或選用放電平臺(tái)很差的電池時(shí),其對(duì)應(yīng)的剩余容量會(huì)出現(xiàn)很大的差異
比如放電平臺(tái)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(xiàn)在電量為空格的時(shí)候卻還可以待機(jī)2天的怪異現(xiàn)象.
6.在處理電壓反跳現(xiàn)象時(shí),有些手機(jī)會(huì)采用鎖定容量格數(shù)的一個(gè)算法.即容量顯示不反跳,但是當(dāng)前的容量格數(shù)的使用時(shí)間會(huì)相對(duì)延長一點(diǎn).
7.有些早期的手機(jī)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(duì)容量的關(guān)系.其原理也是一樣的.這里不另行詳細(xì)說明.

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總之,采用測(cè)量電池電壓來計(jì)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(jí)的鋰離子電池電量計(jì)量只有采用庫侖計(jì)并使用高級(jí)的電量計(jì)量算法.