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锂电池电量的动态预测
内容导读:
       摘 要:介绍了锂电池的结构,分析了锂电池的放电特性。基于积分法采用动态更新电池电量的方法,考虑电池自放电现象,对电池的在线电流、电压、放电时间进行了测量;预测和计算了电池在不同放电情况下的剩余电量,并根据电池使用情况和环境温度对电量预测进行了校正,给出了剩余电量的预测值,解决了在低成本情况下锂电池SOC 的预测问题。
关键词:锂电池;电池电量;动态预测

引言

锂电池是指以锂为负极材料的化学电池的总称,包括锂离子电池、锂聚合物电池等。锂电池具有较高的能量质量比和能量体积比,无记忆效应,可重复充电次数多,使用寿命较长,价格较低。锂离子电池的出现促进了便携式产品向更小更轻的方向发展,用离子电池供电的产品也越来越多。锂离子电池的不足之处在于对充电器要求比较苛刻,需要保护电路,要求充电方式是恒流恒压;为有效利用电池容量需将锂离子电池充电至最大电压,但是过压充电会造成电池损坏,这就要求较高的控制精度;另外对于电压过低的电池需要进行预充电;充电器最好能为电池提供附加热保护和时间保护:因此实现安全高效的充电控制成为锂离子电池推广应用的瓶颈。随着设备智能化程度的提高和锂电池的广泛使用,对锂电池的要求也越来越高,于是各种带一定保护功能的电池就出现了。常见的电池都带有保护电路,对于电池的过压、欠压、过流采取了切断回路的方式;但是在许多特殊场合,仅有保护功能是不够的,而需要电池提供诸如电池电压、剩余电量、估计供电时间、温度等信号,使控制器全面掌握电池状态,决定控制策略,从而提高系统运行可靠性。在所有的电池参数中,电池的剩余电量最难测量,它与电池的放电电流、温度、电池充放电循环次数等参数有直接关系。

结构

锂电池由电芯、保护电路和管理电路组成。
(1) 电芯由极板和电解液组成,以Bellcore 公司PL ION 锂电池为例. 正极极板为Li yMn2O4 ,负极极板为Li xC6 ,电解液为LiPF6 溶于乙烯碳酸酯和二甲基碳酸酯溶液. 电芯是提供能量的部分,是电池的核心。
(2) 保护电路由比较器和MOS 管组成,当电池出现过压、过流、欠压等异常情况时可保护电池。
(3) 管理电路是为了实现一些比较高级的功能,如放电时间预测,由专用电池管理芯片构成,也可以使用通用的单片机系统,二者都可测量电池的电流、电压、温度,推断和预测芯片内电池的状态;还可以代替部分保护电路,如发出保护命令等;管理电路还有提供与其他系统通信的功能,如果电池不能提供通信功能,就不能称为智能电池,锂电池的结构见图1,在充放电过程中正极发生的反应为
负极反应为:

反应过程中,Li + 在正负极间流动,而产生的电子流经负载。

图1  锂电池的结构

放电特性

锂电池在不同的放电电流下有不同的放电特性,其特性曲线见图2。由图2 可以看出,在开始放电时,锂电池的电压下降比较剧烈,然后进入一个稳定期,在稳定期电压下降很不明显,当电量接近放完时,又有一个剧烈的电压下降,如果此时继续放电,则会毁损电池;如果放电电流过大则放电时间非常短,电压急剧下降,电池温度急剧升高,电池则将无法正常工作;如果电池的电压下降到2.5V,再继续放电,将导致电池永久性损坏。

图2  不同放电电流放电时间与电压曲线

电量预测


一个电池的电量是电池在正常状态下输出电流的总量。在800mA电流下电池放电1h,为1C放电。800mAh容量的电池在100mA 电流下可以放电8h,为0. 1C放电。一般来说,放电电流越大,放电效率越低. 锂电池的放电实际上是电池负极上的负离子和正极上的正离子中和的过程。由于正负极之间存在电压,因此接入负载后电流从负极流向正极产生放电电流。

电量估计
(1) 用C 表示某一锂电池的电量,即电池的电压从4. 2V降到2. 7V放出的电量。
(2) 用η( i , t) 表示在电流i 经过时间t 后放出的电量与电池电量之比:

式中:Ci 为在时间t 内以电流i 放电时的放电总量。

(3) 电池的SOC(State of Charge) 为

式中:I 为电池标准电流。

可以看出SoC是在0~100%变化,当SoC为100%时表示电量满,为0时表示电量空。考虑不同放电电流下的放电效率,引入放电效率修正参数k ( i) ,由于不同电池电化学性能不同, k( i)可通过实验数据得出,于是式(3) 变为

电池在使用时,电解液和电极不断发生反应,每一次充放电都有部分物质退出反应,不能完全重复上一循环,具体表现为电池内阻增大,电量减小. 在使用中实时测得电池内阻很难。为了解决电池电量变化对测量的影响,可采用动态更新电池电量的方法,即每次充放电都改变C的值,使用上一次放电所放出的电量作为本次放电的参考电量,这样随着电池的使用,电池电量减小体现为C减小。如果电池上一次放电放出的电量大于C,则电量增大,同样也要更新C,这种情况出现在外界环境温度升高的情况下。

图3  锂电池自放电特性

对电池电量精确预测要考虑电池的自放电现象. 电池在存储过程中,放电电流为0,电池的电量会慢慢地消失,这是由于电池中的化学物质会缓慢地发生反应,温度越高,反应越剧烈. 电池的自放电曲线见图3,从图3可以看出,在20 ℃时电池存储时间大约为30d ,电池的剩余电量从满电量减少为总电量的一半,为此,需考虑电池的存储时间。

电量预测
(1) 对放电电流进行积分。(2) 根据电池的放电倍率和当前系统温度对测量结果进行补偿。(3) 根据上一次放电电量对电池总电量进行修正。(4) 根据测得电压值选取几个校正点(可选放电开始和结束阶段) 进行校正。

剩余电量的计算

电压可直接测量,电压值为正表示放电,为负表示充电。电流可在串联一个小电阻30mΩ 的大负载回路中测量,温度用热敏电阻测量,时间用外接智能时间芯片测量。

设参数A ,B ,C,其中A为当前可用电量,B为电池总电量,C为校正B的值。计算剩余电流步骤如下:
(1) 初始化A = 0,B = 0,C = 0 ;
(2) 检查电芯电压是否在正常范围(2. 7~4. 2V) ,如不正常则进入保护状态;
(3) 检查充放电状态,如果是充电转到(7) ,放电接下一步;
(4) 测量电流,根据电流大小和电池温度进行补偿;
(5) A = A - i/Δ T , C = C + i/Δ T ;
(6) 如果电压低于2. 7V ,则B = C,A = 0,进入保护状态,否则转(3);
(7) 测量电流,根据电流大小和电池温度进行补偿;
(8) A = A + i/Δ T , C = C - i/Δ T;
(9) 如果电压高于4. 2V,则A = B,C = 0进入保护状态,否则转(3) 。

用上述算法求出电池剩余电量A 后,可计算SOC为A / B。由于锂电池的总电量是一个渐变的过程,每一次改变非常小,因此在每次计算电池总电量时使用上一次放电电量作为总电量,动态解决了电池循环充放电对电量的影响。对于温度和放电倍率的影响可以采取适当的补偿措施来解决。

结束语

锂电池的电量是锂电池管理最重要的参数,也是最不容易获得精确值的参数,要提高精度需要对电池的各种参数进行全方位的测量。文中以积分法为基础提出预测方法得到的也是一个近似值,主要解决了在低成本情况下锂电池SoC的预测问题,其主要优点在于测量的实时性和电量变化的动态更新,在各种智能移动设备的使用中对能源模块的状况有全面的了解,可提高系统可靠性和利用率。
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来源:电子设计应用 作者:刘霞,邹彦艳,金梅,李玉春 时间:2006/9/15 0:00:00
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