1. 鋰離（lí）子電池介紹

圖（tú）一、不同放電率及溫度下電壓與容量（liàng）之關係

1.2 最高充電電壓 (Max Charging Voltage)

最高充電電壓（yā）和電池的化學成分（fèn）與特性有關。鋰電池的充（chōng）電電壓通常（cháng）是4.2V 和 4.35V，而若陰（yīn）極、陽極材料不同電壓值也會（huì）有所不同。

1.3 完全充電 (Fully Charged)

當電池電壓與最高充電電壓差小（xiǎo）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（xìng）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（chí）充電特性曲線。當（dāng）電池電壓等於最高充電電（diàn）壓，且充（chōng）電電流（liú）降低至（zhì）C/10，電池即視為（wéi）完全充電。

圖二、鋰（lǐ）電池（chí）充（chōng）電特性曲線

1.4 最低放（fàng）電（diàn）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（yā）值不是一固定值，而（ér）是隨著負載、溫度、老化程度或其他而改變。

1.5 完全放（fàng）電 (Fully Discharge)

當電池電壓小（xiǎo）於或等於最低（dī）放電電壓（yā）時，可稱為完全放電。

1.6 充放電率 (C-Rate)

充放（fàng）電（diàn）率是充放電電流相對（duì）於（yú）電池容量（liàng）的一種表示。例如，若用1C來放電一小時之（zhī）後（hòu），理想的話，電池就會完全放電。不同充（chōng）放電率（lǜ）會造成不（bú）同的可用容量。通（tōng）常，充放電率（lǜ）愈大，可用容量愈小。

1.7 循環壽命

循環次數是當一個電池所（suǒ）經曆（lì）完整充放電的次數（shù），是可由實際放電容量與設計容量來估計（jì）。每當（dāng）累積的放電容量等於設計（jì）容量（liàng）時，則循環次數一次。通常在（zài）500次充（chōng）放電循環後（hòu），完（wán）全（quán）充電的（de）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（wēn）度上升而增加。自放電基（jī）本上（shàng）不是製造上的瑕疵，而是電池本身特性（xìng）。然而製造過程中不當的處理也會造成自放電的增加。通常電池溫度每增加（jiā）10°C，自放電率即倍增。鋰離（lí）子電池每個月自放電量約為1~2%，而各類鎳係（xì）電池則為每月10~15%自放電（diàn）量。

2. 電池電量計簡介

2.1 電量計功能簡（jiǎn）介

電池管（guǎn）理可視為（wéi）是電源管理的（de）一（yī）部分。電池管理中，電量（liàng）計是（shì）負責估計電池容量。其基（jī）本功能為監測電壓，充電/放電（diàn）電流和電池溫度，並估計電（diàn）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（fǎ）：開路電壓法(OCV)和（hé）庫侖（lún）計量法。另一（yī）種方法是由RICHTEK所設計的動態電壓算（suàn）法。

2.2 開路電壓法

用開（kāi）路電壓法的（de）電量計，其實現（xiàn）方法較容易，可借著開（kāi）路電壓對應荷電狀態查表而得到。開（kāi）路電壓的假設條件是（shì）電池休息約超過30分鍾時的電（diàn）池端電壓。

不同的負載，溫度，及電池老化情況下，電池電（diàn）壓（yā）曲線也（yě）會有所（suǒ）不同。所以（yǐ）一個固定的開路電壓表無法完全代表荷電狀（zhuàng）態;不能單靠查表來（lái）估計荷電狀態。換言之，荷電狀態若隻靠（kào）查（chá）表來估（gū）計，誤（wù）差（chà）將會（huì）很大。

下圖顯示同樣的電池電壓分別在充（chōng）放電之下，透過開路電壓法所查得的荷（hé）電（diàn）狀態差異很大。

圖五、充（chōng）、放電情（qíng）況下的電池電壓

下圖可知，放電時不同負載之下，荷電（diàn）狀態的差異也是很大。所以基（jī）本上，開路電壓法隻適（shì）合（hé）對荷電狀態準確性要（yào）求低的係（xì）統，像汽車使用（yòng）鉛酸電池或不間（jiān）斷電源（yuán）等。

圖六、放電時不同（tóng）負載之下的電池電壓

2.3 庫侖（lún）計量法

庫侖計量（liàng）法的操作原（yuán）理是在電池的充電/放電路徑上的連接（jiē）一個檢測電阻。ADC量測在檢測電阻上的電壓，轉換成電池正在充電或放電的電流（liú）值。實時計數器(RTC)則提供把該電流值對時間作積分，從而得知流過多少庫倫。

圖七、庫倫計量法（fǎ）基本工作方式

庫侖計量法可精（jīng）確計算（suàn）出充電或放電過程中實（shí）時的（de）荷電狀態。藉由充電庫侖計數器和放電庫侖計數器，它可計算剩餘電容量 (RM)及完全充電容（róng）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，它還可預估剩餘時間，如電力耗竭(TTE)和電（diàn）力充滿(TTF)。

圖八、庫（kù）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（yī）是電流感（gǎn）測及ADC量（liàng）測中（zhōng）偏移誤（wù）差的累（lèi）積。雖然以（yǐ）目前的技（jì）術（shù）此量測的誤差還算小（xiǎo），但若沒有消除它的好方法，則此（cǐ）誤（wù）差（chà）會隨時間增加而增加。下圖顯示了在實際應用中，如果時間持續中的未有任何的修正，則累積的誤差是（shì）無上限的。

圖（tú）九、庫倫計量法的累積（jī）誤差

為消除累積誤差（chà），在正常的電池（chí）操作中有三個可能可使用的（de）時間（jiān）點：充電結束（shù）(EOC)，放電結束(EOD)和（hé）休息(Relax)。充電結（jié）束（shù）條件達到表示電池已（yǐ）充滿電且荷電狀態(SOC)應為100%。放電結束條件則表示電池已完全（quán）放電，且荷電狀態(SOC)應該為0%;它可（kě）以是一個絕對的電（diàn）壓值或者是隨負載而改（gǎi）變。達（dá）到休息狀態時，則（zé）是（shì）電池旣（jì）沒有充電（diàn）也沒有（yǒu）放電，而且保持這種狀態很長一段時間。若使用者想（xiǎng）用（yòng）電池休息狀態來作庫侖計量法的誤差修正，則此時必（bì）須搭配開路電（diàn）壓表。下圖顯示（shì）了在上述狀態下的荷電（diàn）狀態誤差是（shì）可以被修正的。

圖十、消（xiāo）除庫侖計量法累積誤差的條件（jiàn）

造成庫倫計量法準確度偏差的第二主要因素是完全充（chōng）電容量(FCC)誤差，它是由電池設計容（róng）量的值和電池真正的完全充（chōng）電容量的差異。完全充電容量（liàng）(FCC) 會受到溫度，老化，負載等因素影響。所（suǒ）以，完全（quán）充電容量（liàng）的再學習和補償方法對庫侖計（jì）量法是非常關鍵重要的。下（xià）圖顯示了當完全充電容（róng）量被高估和被低估時（shí），荷電狀態誤（wù）差的趨勢現象。

圖十一（yī）、完全充電（diàn）容量被（bèi）高估和被低估時，誤差的趨勢

2.4 動態（tài）電壓算法電量計

動（dòng）態電壓算法電量計僅根據電池電壓即可計算鋰電池的荷（hé）電狀態。此法（fǎ）是根據電池（chí）電（diàn）壓和電池的開路電壓之間的差值，來估計荷（hé）電狀態的遞增量（liàng）或遞減量（liàng）。動態電（diàn）壓的信（xìn）息可以有效地仿真鋰電池的（de）行為，進而決定荷電狀態SOC(%)，但此方法並不能估計電（diàn）池容量值(mAh)。

它（tā）的計算方式是根據電池電壓和開（kāi）路電壓之間（jiān）的動態差異，借著使用迭代算法來計算每次增加或減少的荷電狀態，以估計荷（hé）電狀態。相較於庫侖計量法電量計的（de）解決方案，動態電壓（yā）算法電量計不會隨（suí）時間和電流累積誤差。庫侖計量法電量計通常會因為電流感測（cè）誤差（chà）及（jí）電池自放電而造成荷電狀態估計不準。即使電流感測誤差非常小，庫侖（lún）計數器（qì）卻（què）會持續累積誤差，而所累積的誤差隻有（yǒu）在完全充電或（huò）完全放電才能消除。

動態電壓算（suàn）法電量（liàng）計（jì）僅由電壓信息來估計電池的荷電狀態;因為它不是由電池的電流信（xìn）息來估計，所以不會累積誤差。若要提高荷電狀態的精確度，動態電（diàn）壓算法（fǎ）需要用實際的裝置，根據它在完全充電（diàn）和完全放電的情況下，由實（shí）際的電池電（diàn）壓曲線來調整出一優化的算法的參數（shù）。

圖十二、動態電壓算法電量計和增益優化的表現

下麵是動態電壓算法在不同放電速率條件（jiàn）下，荷電狀態的表現。由圖可知，它的荷電狀態（tài）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（xià），動態電壓（yā）算法的（de）荷（hé）電狀態的表現

下圖顯示在電池短充短放（fàng）情況下，荷電狀態的（de）表現（xiàn）。荷電狀態誤差（chà）仍然很小，且最大誤差僅（jǐn）有3%。

圖十四、在電池短充短放的情況，動態電壓算法的荷電狀態（tài）的表現