1. 鋰離子電池介紹

圖一（yī）、不同放電率及溫度下（xià）電壓與（yǔ）容量之關係

1.2 最高充電電壓 (Max Charging Voltage)

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（hé） 4.35V，而若陰極、陽極材料不同（tóng）電壓值也會有所不同。

1.3 完全充電 (Fully Charged)

當電池電壓與最高（gāo）充（chōng）電電壓差小於100mV，且充電電流降低至C/10，電池可視為完全充電。電池（chí）特性不同，完全充電條件（jiàn）也有所不同。

下圖所（suǒ）顯示為一典型的鋰電池充（chōng）電特性曲線。當電池電壓（yā）等（děng）於最高充電電壓，且充電電（diàn）流（liú）降低至C/10，電池即（jí）視為完全充電。

圖二、鋰電池充（chōng）電特性曲線

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，通常即是荷電狀態為0%時的電壓。此電壓值不是一固定值，而是（shì）隨（suí）著負載、溫度、老（lǎo）化程度或其（qí）他而改（gǎi）變。

1.5 完全放電 (Fully Discharge)

當（dāng）電池電壓小於或等於最（zuì）低放（fàng）電電壓時，可稱為完全放電（diàn）。

1.6 充放電率 (C-Rate)

充放電（diàn）率是充放電電流（liú）相對於電（diàn）池容量的一種（zhǒng）表示。例如，若用（yòng）1C來放電一小時之後，理想的話，電池就會完全放電。不（bú）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（xún）環次數是當一個電池所經曆完整充放電的次數，是可由實際放電容量與設計容量（liàng）來估計。每當累積（jī）的放電容量等於設（shè）計容量時，則循環次（cì）數一（yī）次。通常在500次充放電循環後，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（zì）放電基本上不是製造上的瑕疵，而是電（diàn）池本身特（tè）性。然而製造過程中不（bú）當的處理也會造成自放電的增（zēng）加。通常電池溫度每增（zēng）加10°C，自放電率即倍增。鋰離子（zǐ）電池每（měi）個月自放電量約為1~2%，而各類鎳（niè）係電池則為（wéi）每月10~15%自放電量。

2. 電池電量計（jì）簡介

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（liàng）。其基本功能為監測電壓，充電/放電電流和電池（chí）溫度，並估計電池荷電狀態(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（diàn）壓法（fǎ）(OCV)和庫侖計（jì）量（liàng）法。另一種方（fāng）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（róng）易，可借著開路（lù）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（chāo）過30分鍾時的（de）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（qǔ）線也會有所（suǒ）不同。所以一個固（gù）定的開路電壓表無法完全代表荷電（diàn）狀態;不能單靠查表來估計荷電狀態（tài）。換（huàn）言之，荷電狀態若隻靠查表來估計，誤差將會很大。

下圖顯（xiǎn）示同樣的電池電壓分別在（zài）充放電（diàn）之下，透過開路（lù）電壓（yā）法所查得（dé）的荷電（diàn）狀態差異很大。

圖五（wǔ）、充、放電情況下的電（diàn）池電（diàn）壓（yā）

下圖可知，放電（diàn）時不同（tóng）負（fù）載之下，荷電狀態的差（chà）異也（yě）是很大。所以基本上，開（kāi）路電壓法隻（zhī）適合（hé）對荷電狀態準確性要求低的係統，像（xiàng）汽車（chē）使用（yòng）鉛酸（suān）電池或不間斷電（diàn）源等。

圖六（liù）、放電時不同負載之下的電池電壓（yā）

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（jìng）上的連接一個檢測（cè）電（diàn）阻。ADC量測在檢測電阻上的電（diàn）壓，轉換成電池正（zhèng）在充電或放電的電流（liú）值。實時計數器（qì）(RTC)則提供把該電流值對時間作（zuò）積分，從而得知流（liú）過多少（shǎo）庫倫。

圖七、庫倫計量法（fǎ）基（jī）本工作方式（shì）

庫侖計量法可精確計算出充電或放電過程中實（shí）時的荷電狀態。藉由充電庫侖計數（shù）器和放電庫侖計數器，它（tā）可計算（suàn）剩餘（yú）電容量（liàng） (RM)及完全充電（diàn）容量(FCC)。同時也可用剩餘電容量(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（yù）估剩餘（yú）時間，如電力耗竭(TTE)和電力充滿(TTF)。

圖八（bā）、庫倫計量法的計算公式

主要有兩個因素造（zào）成庫倫計量法準確度偏差。第一是電流感測及ADC量測中（zhōng）偏移誤（wù）差的累積。雖然以目前（qián）的（de）技術此量（liàng）測的誤差還算小，但若（ruò）沒有消除它的好（hǎo）方（fāng）法，則此誤差會隨時間增加而增加。下圖顯示了在實際（jì）應用中，如果時間持續中的未有（yǒu）任何的修正，則累積的誤差（chà）是無上限的。

圖九、庫倫計量法的累積誤差

為消除累積誤差，在正（zhèng）常的電池操作中有三個可能可使（shǐ）用的時間點：充電結束(EOC)，放電結束(EOD)和休息(Relax)。充電結束（shù）條件達到表示電池已充滿電且荷（hé）電狀態(SOC)應為100%。放電結束（shù）條件（jiàn）則（zé）表示電池（chí）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（ér）改變。達到（dào）休息狀（zhuàng）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（shí）間。若使用（yòng）者想用電池休息狀態來作庫（kù）侖計量法的誤差修正，則（zé）此時必須搭配（pèi）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。

圖十、消（xiāo）除庫侖計量法累積誤差的條件

造成庫倫計量法準確度偏差（chà）的第二（èr）主（zhǔ）要因素是完全充電（diàn）容量(FCC)誤差，它是由電池設計容量（liàng）的值和電（diàn）池真正的完全充電容（róng）量的差異。完全充電容量(FCC) 會受到溫度，老化，負載等因（yīn）素影響。所以，完全充電容量的再學習和（hé）補償方法對庫侖計量法是非常關鍵重要的。下圖（tú）顯（xiǎn）示了當完全充電容量被（bèi）高估和被低估（gū）時，荷電狀態誤差的趨勢現象。

圖十一、完全充（chōng）電容量被高估和被低估時，誤差的趨勢（shì）

2.4 動態電壓算法電量計

動態電壓算法電量（liàng）計僅根（gēn）據（jù）電池電壓即可計算鋰（lǐ）電池的荷電狀態。此法（fǎ）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（yā）的信息可以有效地仿真鋰電（diàn）池的行為，進而決定荷電狀態SOC(%)，但此方法並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（diàn）壓之間的動（dòng）態差異，借著使用迭代算法來計（jì）算每次增加（jiā）或減少的荷電狀態，以估計荷電狀態。相較於庫侖（lún）計量法電量計的解決方案，動態電壓算法電量計不（bú）會隨時間和電流累積誤（wù）差。庫侖計量法電量計通常會因為電流（liú）感測（cè）誤差及電池自放（fàng）電而造成荷電狀態估計不準。即使（shǐ）電（diàn）流感測誤差非常小，庫侖計（jì）數器卻會持續累積誤差，而所累積的誤差隻有在完（wán）全充電或完全放電才能消除。

動態電壓算法電（diàn）量計僅由電壓信息來（lái）估計電池的荷電狀態;因為它不是由（yóu）電池的電流信息來估計，所以不會（huì）累積誤差。若要提高荷電狀態的精確度（dù），動態（tài）電壓算法需要用實際的裝置，根據（jù）它在（zài）完全充電和（hé）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。

圖十二、動態電壓算法（fǎ）電量計（jì）和增（zēng）益優化的表（biǎo）現

下麵是動態電壓算法在不同放電速率（lǜ）條件下，荷電狀（zhuàng）態的表現。由圖可知，它的荷（hé）電狀態精確度良好。不論是在C/2，C/4，C/7和C/10等的放電條件下，此法整體的荷電狀態誤差都小於3%。

圖十三、不同的放電速率條件下，動態電壓算法的荷電狀態的表現

下圖顯示在電池短（duǎn）充短放情況下，荷電狀態的表現（xiàn）。荷電狀態誤差仍然很小，且最大誤差（chà）僅有3%。

圖十四、在電池短充短放的情況，動態電壓（yā）算法的荷電狀態的表（biǎo）現