CellWise_锂电池和电量计原理及相关介绍_fo+r+YF

内容电池分类化学电池和锂电池原理电池对电量计算的影响和要求电量计算方式和技术路线电池测试的流程和方式物理电池和生物电池物理电池将物理能量转化为电能太阳能电池飞轮电池生物电池将生物质能转化为电能利用碳水化合物、蛋白质、氨基酸、脂肪等为原料,通过酶分解来发电的一种装置化学电池将化学能转化为电能氧化还原反应干电池铅酸电池锂电池燃料电池400年前伊拉克巴格达-粘土瓶化学电池结构化学电池组成六要素负极(Zn) —氧化反应（放电过程）正极(Cu) —还原反应（放电过程）电解液(硫酸盐溶液) —正负极之间离子移动的桥梁隔离膜—导离子绝缘电子电极引线—引出电子流外包装—隔离氧气与水分Zn+CuCl2=ZnCl2+Cu化学电池与锂电池电池能量= 化学势差*电量单位Wh电量---决定于正、负极能移动的电子总量单位Ah化学势差---决定于正、负极材料的化学势单位VElectrodeElectrodeReactionE0（V）Li+|LiLi++e-Li-3.045Zn2+|ZnZn2++2e-Zn-0.763Cd2+|CdCd2++2e-Cd-0.4028Ni2+|NiNi2++2e-Ni-0.23Hg22+|HgHg22++2e-2Hg0.851F-|F2(g,Pt)F2(g)+2e-2F-2.866H+|H2O|O2(Pt)O2+4H+2H2O1.229Pb2+|PbPb2++2e-Pb-0.1264Mn2+|MnMn2++2e-Mn-1.185化学电池与锂电池Ni-CdNi-MHLi-ionLi-ionpolymer能量密度(Wh/kg)80120160180循环寿命(times)1500500500500额定电压(V)1.251.253.73.7自放电率(/month)20%30%10%10%脉冲放电能力HighmoderateModerateModerate环境友好性NoYesYesYes记忆效应YesSmallNoNo安全性(滥用试验)HighHighLowModerate锂电池分类锂电池锂离子电池液态锂离子电池固态锂离子电池正极材料锂钴三元锂铁锂锰等等锂电池原理锂离子电池的解决方案负极石墨---装锂的口袋LixC66C + xLi++ xe-正极钴酸锂---提供锂离子的框架结构Li1-yCoO2+ yLi++ ye-LiCoO2Unauthorized reproduction prohibited11/15/2013摇椅电池警戒区间：2.5V~4.25V过放:过充:电池鼓包和爆炸!!!过充后，锂离子会在负极形成晶枝刺穿隔膜纸，从而导致内部短路锂电电压区间和安全性I锂电池的失效形式过充–燃烧过放内短路–燃烧过温锂电池热不得冷不得，电压高不得低不得，电流大不得析锂锂电电压区间和安全性II锂电池的充放电区间和曲线01501091300525CPerformancePlot2.83.03.23.43.63.84.04.20%20%40%60%80%100%DischargeRate(%)Voltage(V)OCVOCVOCV和内阻压降OCV和内阻压降可等效成极小电流放电正常使用过程中放电曲线OCV表征电容容量（SOC）电池电压随电量的降低而降低类似于测试水箱水位知道储水量OCV-开路电压电池无负载无充电状态下1小时以后测试到的端电压OCV只和材料配比有关受老化和温度的影响很小OCV是计算电池容量的基础由OCV定期修正SOC通过OCV直接推导SOC不同的电池（生产厂商）电池曲线不同也是为什么不同的电池一定要重新测试电池模型最大的原因内阻和端电压电池的工作时候的端电压不是OCV内阻压降内阻的构成欧姆内阻（交流内阻）极化内阻（直流内阻）内阻=欧姆+极化OCV电压对容量关系550mA恒流放电电压对容量关系100%----4.20V100%----4.20V90%-----4.06V90%-----3.97V80%-----3.98V80%-----3.87V70%-----3.92V70%-----3.79V60%-----3.87V60%-----3.73V50%-----3.82V50%-----3.68V40%-----3.79V40%-----3.65V30%-----3.77V30%-----3.62V20%-----3.74V20%-----3.58V10%-----3.68V10%-----3.51V欧姆内阻和极化内阻欧姆内阻极化内阻极化内阻包括浓差极化内阻和电化学极化内阻，即离子迁移受到的阻力由极耳接触电阻、电解液、隔膜纸内阻、正负极材料电阻与到集流体之间的接触电阻等等构成内阻压降引起Dead SOC内阻导致电池的电量无法全部放出内阻越大DEAD SOC越大电流越大DEAD SOC越大由于IR drop电池提前到达截止电压Dead SOCOCVVbat内阻对电池容量的影响关机截止电压点内阻压降造成电池容量无法全部放出也是库仑计无法正常工作的原因充入电量≠放出电量电池容量应该计算可用SOC内阻与SOC还有温度的关系11/15/2013将电池放入冰箱“激活”有用吗？电池不是水箱，电池的放电能力随负载变化、温度、衰减三个主要条件变化而变化内阻受多种条件影响老化机理正负极材料结构的破坏电解液的损耗锂离子的损耗造成老化的原因循环次数充放电程度温度电流Unauthorized reproduction prohibited11/15/2013内阻与老化的关系-可用SOC越来越少老化对电池容量计算的影响老化电池绝对总容量变少电池内阻变大导致可用容量变少内阻自学习功能修正内阻偏差内阻偏差的修正电池的特性和建模电池材料结构老化SOH温度电流放电曲线内阻可用SOC电压平台REAL SOCDEAD SOCRRT电池容量电池的化学材料/结构/应用决定了电池的特性电池的特性和应用决定了电池的容量合理而正确的电池模型是保证从左端基础物理结构推导出右端SOC的保障电量计功能介绍告知电池剩余电量.告知系统剩余使用时间低电告警系统启动判决什么是好的电量计？高性能高SOC精度不同温度不同放电条件跟随电池衰减低功耗易量产化容易设计生产流程简单低成本BOM成本和IC成本电量计基本分类类别带电流检测不带电流检测检测方式库仑计+OCVOCV代表产品TIEPIMaximCellWise算法阻抗跟踪极限门电压ModelGaugeFastCali架构特点短期：使用电流积分作为电量计算长期：使用开路电压校正直接计算OCV，从而推导出SOC优劣势1.采集数据多，算法易实现2.外围器件复杂，BOM成本高3.生产流程复杂，需要校验学习1.无电流采集，算法集成度提高2.外部电路简洁，成本低3.简化生产流程，即插即用电量计基本架构带电流检测的电量计不带电流检测的电量计OCV库仑计电流电压积分采样算法SOC+RRT当前电压电压采样算法SOC+RRT特定条件下直接测试出OCV补偿算出OCV库仑计的问题以及定期修正回顾前章受DEADSOC影响电池的实际可用容量并不是电池的满电容量电量计最核心部分之一补偿库仑计在不同条件下的可用SOC偏差在某些固定条件下由OCV修正库仑计累计误差：BatteryRelax不完善的算法，导致SOC跳变随时修正DEAD SOC并保证可用SOC平滑完整CC≠GG剩余容量≠可用容量Real SOC/可用SOC/Dead SOC对于用户来讲，在可以放出的电量部分进行估计才是有意义的：比如对于某电池，在1C放电时，dead SOC为20%，则恒流放电至截止时Real SOC为20%可用SOC为0%在放电至60%时Real SOC为60%可用SOC为(60%-20%)/(100%-20%)=50%合理的SOC估算可用SOC=(Real SOC-Dead SOC)/(100%-Dead SOC)当系统关机时显示的SOC为0%，即可用SOC为0不管此时的Real SOC为多少合理正确的SOC应该上报可用SOC!电池测试的必要性CW2013是高精度电量计，会根据当前的系统状态来估算电池的剩余容量。电池的剩余容量受充放电电流、电池内阻、电池电化学特性等影响，也就是说，不同的电池对外的表现（模型）是不同的。如果电池的模型和实际使用的电池存在偏差，那么电量计计算出的电量一定会存在问题。模型与电池匹配的必要性如果电池的模型和电池不匹配，电量计的预算将会出现较大误差，导致精度下降甚至行为模式错误。不同的电池放电曲线（模型中的一部分数据）：OCV匹配情形使用Cell B OCV曲线，测试Cell B。1400mA恒流放电SOC曲线正常，最大误差为1.6%0%处电压为3.49V总放电时间为4小时54分Profile不匹配情形使用Cell B  OCV曲线，测试Cell A。1400mA恒流放电SOC曲线出现弯曲，最大误差为13.5%0%处电压为3.497V总放电时间为3小时54分何时需要提取模型电池首次匹配电量计，未提取过模型提取模型后，量产过程中：换用不同类型的电池（如锂离子换成锂聚合物电池）换用不同厂家电池电池材料发生改变包括正负极材料和电解液等换用不同容量的电池生产工艺有较大调整即:使用同一厂家量产稳定的同一种电池就不需要重新提取电池模型（需符合正常生产流程，如分容、内阻测试、匹配等）测试电池的前期准备工作准备电池样品，连线在同一厂家的同一批次，各取2块以上电池，把电芯编号并做好四线连接。连线要接在电池保护板上，将保护板对模型的影响考虑进去。电池老化，测试实际容量常温下对电池反复以1C电流充放电循环19次，让电池的各项参数保持稳定。充电截止条件0.1C，充放电间隔10分钟，将电池放到3.0V截止。第20次循环采用标称容量0.2C充电至100%（0.01C截止），再用0.2C放电至3.0V，再用0.2C充电至100%（0.01C截止）以标定电芯实际容量。测试电池步骤在常温，46°C，14°C，-2°C，-18°C五个温度下分别进行下述操作，每个温度实验前要在室温下以0.2C将电池充满，并静置2个小时。1.0.1C放电至3.0V，并静置30分钟2.0.1C充电至100%（0.01C截止），并静置1小时3.0.2C放电至3.0V，并静置30分钟4.0.2C充电至100%（0.01C截止），并静置1小时5.0.3C放电至3.0V，并静置30分钟6.0.3C充电至100%（0.01C截止），并静置1小时7.0.5C放电至3.0V，并静置30分钟8.0.5C充电至100%，（0.01C截止），并静置1小时9.1.0C放电至3.0V，并静置30分钟10.1.0C充电至100%，（0.01C截止），并静置1小时电池信息提取及验证电池测试完成后，通过提取工具从原始数据中提取电池模型提取后的电池模型由测试中心在CW2013的Demo板上做充放电验证验证OK则将电池信息文件编码、存档，发布给客户在客户处用最终的设备（如平板，手机等）做充放电循环，用抓取到的数据来微调电池信息