荷電狀態(tài)可定義為電池中可用電能的狀態(tài)，通常以百分比來表示。因?yàn)榭捎秒娔軙虺浞烹婋娏?，溫度及老化現(xiàn)象而有不同，所以荷電狀態(tài)的定義也區(qū)分為兩種：絕對荷電狀態(tài)(Absolute State-Of-Charge;ASOC)及相對荷電狀態(tài)(Relative State-Of-Charge;RSOC)。通常相對荷電狀態(tài)的范圍是 0% - 100%，而電池完全充電時(shí)是 100%，完全放電時(shí)是0%。絕對荷電狀態(tài)則是一個(gè)當(dāng)電池制造完成時(shí)，根據(jù)所設(shè)計(jì)的固定容量值所計(jì)算出來的的參考值。一個(gè)全新完全充電電池的絕對荷電狀態(tài)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 (Max Charging Voltage)

 

最高充電電壓和電池的化學(xué)成分與特性有關(guān)。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 (Fully Charged)

 

當(dāng)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。

 

下圖所顯示為一典型的鋰電池充電特性曲線。當(dāng)電池電壓等于最高充電電壓，且充電電流降低至C/10，電池即視為完全充電。

 

1.4 最低放電電壓 (Mini Discharging Voltage)

 

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(tài)為0%時(shí)的電壓。此電壓值不是一固定值，而是隨著負(fù)載、溫度、老化程度或其他而改變。

 

1.5 完全放電 (Fully Discharge)

 

當(dāng)電池電壓小于或等于最低放電電壓時(shí)，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(shí)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(huán)壽命

 

循環(huán)次數(shù)是當(dāng)一個(gè)電池所經(jīng)歷完整充放電的次數(shù)，是可由實(shí)際放電容量與設(shè)計(jì)容量來估計(jì)。每當(dāng)累積的放電容量等于設(shè)計(jì)容量時(shí)，則循環(huán)次數(shù)一次。通常在500次充放電循環(huán)后，完全充電的電池容量約會下降10% ~ 20%。

 

 

圖三、循環(huán)次數(shù)與電池容量的關(guān)系

 

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(dāng)?shù)奶幚硪矔斐勺苑烹姷脑黾?。通常電池溫度每增?0°C，自放電率即倍增。鋰離子電池每個(gè)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. 電池電量計(jì)簡介

 

2.1 電量計(jì)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(jì)是負(fù)責(zé)估計(jì)電池容量。其基本功能為監(jiān)測電壓，充電/放電電流和電池溫度，并估計(jì)電池荷電狀態(tài)(SOC)及電池的完全充電容量(FCC)。有兩種典型估計(jì)電池荷電狀態(tài)的方法：開路電壓法(OCV)和庫侖計(jì)量法。另一種方法是由RICHTEK所設(shè)計(jì)的動態(tài)電壓算法。

 

2.2 開路電壓法

 

用開路電壓法的電量計(jì)，其實(shí)現(xiàn)方法較容易，可借著開路電壓對應(yīng)荷電狀態(tài)查表而得到。開路電壓的假設(shè)條件是電池休息約超過30分鐘時(shí)的電池端電壓。

 

不同的負(fù)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(gè)固定的開路電壓表無法完全代表荷電狀態(tài);不能單靠查表來估計(jì)荷電狀態(tài)。換言之，荷電狀態(tài)若只靠查表來估計(jì)，誤差將會很大。

所以基本上，開路電壓法只適合對荷電狀態(tài)準(zhǔn)確性要求低的系統(tǒng)，像汽車使用鉛酸電池或不間斷電源等。

 

2.3 庫侖計(jì)量法

 

庫侖計(jì)量法的操作原理是在電池的充電/放電路徑上的連接一個(gè)檢測電阻。ADC量測在檢測電阻上的電壓，轉(zhuǎn)換成電池正在充電或放電的電流值。實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)器(RTC)則提供把該電流值對時(shí)間作積分，從而得知流過多少庫倫。

 

 

圖七、庫倫計(jì)量法基本工作方式

 

庫侖計(jì)量法可精確計(jì)算出充電或放電過程中實(shí)時(shí)的荷電狀態(tài)。藉由充電庫侖計(jì)數(shù)器和放電庫侖計(jì)數(shù)器，它可計(jì)算剩余電容量 (RM)及完全充電容量(FCC)。同時(shí)也可用剩余電容量(RM) 及完全充電容量 (FCC) 來計(jì)算出荷電狀態(tài)，即 (SOC = RM / FCC)。此外，它還可預(yù)估剩余時(shí)間，如電力耗竭(TTE)和電力充滿(TTF)。

 

 

圖八、庫倫計(jì)量法的計(jì)算公式

 

主要有兩個(gè)因素造成庫倫計(jì)量法準(zhǔn)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(shù)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(shí)間增加而增加。下圖顯示了在實(shí)際應(yīng)用中，如果時(shí)間持續(xù)中的未有任何的修正，則累積的誤差是無上限的。

 

 

圖九、庫倫計(jì)量法的累積誤差

 

為消除累積誤差，在正常的電池操作中有三個(gè)可能可使用的時(shí)間點(diǎn)：充電結(jié)束(EOC)，放電結(jié)束(EOD)和休息(Relax)。充電結(jié)束條件達(dá)到表示電池已充滿電且荷電狀態(tài)(SOC)應(yīng)為100%。放電結(jié)束條件則表示電池已完全放電，且荷電狀態(tài)(SOC)應(yīng)該為0%;它可以是一個(gè)絕對的電壓值或者是隨負(fù)載而改變。達(dá)到休息狀態(tài)時(shí)，則是電池?cái)麤]有充電也沒有放電，而且保持這種狀態(tài)很長一段時(shí)間。若使用者想用電池休息狀態(tài)來作庫侖計(jì)量法的誤差修正，則此時(shí)必須搭配開路電壓表。下圖顯示了在上述狀態(tài)下的荷電狀態(tài)誤差是可以被修正的。