1. 鋰離子電（diàn）池（chí）介紹

圖一、不同放電率及溫度下電壓與容量之關係

1.2 最高充電電壓 (Max Charging Voltage)

最高充電（diàn）電壓和電池的化學成分與特性（xìng）有關。鋰電池的充電電壓通常是4.2V 和 4.35V，而若陰（yīn）極、陽極材料不同電壓（yā）值也會有所不（bú）同。

1.3 完全充電 (Fully Charged)

當電池電壓與最高充電（diàn）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。電池特性不同，完全充電條件也有所不同。

下圖所顯示為一典（diǎn）型（xíng）的鋰電池充電特性曲線。當電池電壓等於最高充電電壓，且充電電流降（jiàng）低至C/10，電池即（jí）視為完全充（chōng）電。

圖二、鋰電池充電特性曲線

1.4 最（zuì）低放（fàng）電電壓 (Mini Discharging Voltage)

最低放電電壓可用截止放電電壓來定（dìng）義，通常即（jí）是荷電（diàn）狀態為（wéi）0%時的電壓。此（cǐ）電壓值不是一固定（dìng）值，而是隨著負載、溫度（dù）、老化程（chéng）度或其他而改變。

1.5 完全放電 (Fully Discharge)

當電池電（diàn）壓小於或等於最低放電電（diàn）壓時（shí），可稱為（wéi）完全放電。

1.6 充放電率 (C-Rate)

充放電率是充放電電流相對於電池容量的一種表示。例如，若用1C來放電一小時之後，理（lǐ）想（xiǎng）的話，電池就會完全放電。不（bú）同充放（fàng）電率會造成不同的可用容（róng）量（liàng）。通常，充（chōng）放電率愈大，可用容量愈小。

1.7 循環壽命

循環次數是當一個電池所經曆完整充放電的次數，是可由實際放電（diàn）容（róng）量與設計容量來估計。每當累積的放電容量等於設計容量時，則循（xún）環次（cì）數一次。通常在500次充放電循環後，完全充電的電池（chí）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（huì）隨著溫度上升而增加。自（zì）放（fàng）電基本上不是製造上的瑕疵，而是（shì）電（diàn）池本身特性。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10°C，自放（fàng）電率即倍增。鋰離子電池每個月自（zì）放電量約為1~2%，而（ér）各類鎳（niè）係電池則為每月10~15%自放電量。

2. 電池電量（liàng）計簡介

2.1 電量計功能簡（jiǎn）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）是負責估計電池容量。其基本功能為監測電壓，充電/放電電流和（hé）電池溫度，並估計電池荷電狀態(SOC)及電池（chí）的（de）完全充電容量(FCC)。有（yǒu）兩種典型估計電池荷電狀（zhuàng）態的方法（fǎ）：開路電（diàn）壓法(OCV)和庫侖計量法。另一種方法是由RICHTEK所設計的動態電壓（yā）算法。

2.2 開路（lù）電壓法

用開路電壓法的（de）電量計，其（qí）實現方法較容易，可借（jiè）著開路電壓對應荷電（diàn）狀（zhuàng）態查表而得到。開路電壓的假設條件（jiàn）是（shì）電池休（xiū）息約超過30分鍾時的電池端電壓（yā）。

不同的負載，溫度（dù），及電池老化（huà）情況（kuàng）下（xià），電池電壓曲線也會有所不同。所（suǒ）以一個固定的開路電壓表無法完（wán）全代表荷電（diàn）狀態;不能單靠查表（biǎo）來（lái）估計荷電狀態。換言之，荷電狀態若隻靠查表（biǎo）來估（gū）計（jì），誤差將會很大。

下圖顯示同樣（yàng）的電池電壓分別在充放電之下，透過開路電壓法所查得（dé）的荷電狀態差（chà）異很大。

圖五、充（chōng）、放電情況下的電池電壓

下圖（tú）可知，放（fàng）電時不同負載之下，荷電狀態的差異也（yě）是很大。所（suǒ）以（yǐ）基本上，開路電壓法隻適合對荷電狀態準確性要求低（dī）的係統，像汽車使用鉛酸電池或不間斷電源等。

圖六、放電時不同負載之（zhī）下的電（diàn）池電壓（yā）

2.3 庫侖計量法

庫侖計量法的（de）操作原理是在電池的充電/放電路（lù）徑（jìng）上的連接一個檢測電阻。ADC量測在檢測電阻上的電（diàn）壓，轉換成電池（chí）正在充電或放（fàng）電的電流值。實時計數器(RTC)則提供把該電流值對時間（jiān）作積分，從（cóng）而得知流過多少庫倫。

圖七、庫倫計量法基本工作方式

庫侖計量法可精確計算出（chū）充電或放電過程中實時的荷電狀態。藉由充電庫（kù）侖計數器和放電庫侖計數器，它可計算剩餘電容量 (RM)及完全充電容量(FCC)。同時也可用剩餘電容（róng）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（diàn）力耗竭(TTE)和電力充（chōng）滿(TTF)。

圖（tú）八、庫倫計量法（fǎ）的計算公式

主要（yào）有（yǒu）兩個因素造成庫倫（lún）計量法準確度偏差。第一是電流感測及ADC量測中偏移誤差的累積。雖然以目前的技術此量測的誤差（chà）還算（suàn）小，但（dàn）若沒有消除（chú）它的好方法（fǎ），則此誤差（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（de）誤差是無上限的。

圖九、庫倫計量法的累積誤差

為消除累積（jī）誤差（chà），在正常的（de）電池操作中有三個可能可使用的時（shí）間點：充電結束(EOC)，放電（diàn）結束(EOD)和休息(Relax)。充電結（jié）束條（tiáo）件（jiàn）達到表示電（diàn）池已充滿電且（qiě）荷電狀態(SOC)應為100%。放電結束條件則表示電池（chí）已完全放電，且（qiě）荷（hé）電狀態(SOC)應該為0%;它可以（yǐ）是一個絕對的電壓值或者是隨負載而改變（biàn）。達到休息狀態時，則是電池（chí）旣沒有充電也沒有放電，而且保持這種狀態很長一段時間。若使用者想用電池休息狀態（tài）來作（zuò）庫（kù）侖計量（liàng）法的誤差修正，則此時必須搭配開路電壓表。下圖（tú）顯示了在上述狀態下的荷電狀態（tài）誤差是可以（yǐ）被（bèi）修正的。

圖十、消除庫侖計量（liàng）法累積誤（wù）差的條（tiáo）件

造成庫倫計（jì）量法準確（què）度偏差的第二主（zhǔ）要因素是（shì）完全充電容量(FCC)誤差，它是由（yóu）電池設計容量的值和（hé）電池真正（zhèng）的完全充電容量的差異。完全充（chōng）電容量(FCC) 會受到溫度，老（lǎo）化，負載等（děng）因素影響。所以，完全充電容量的再（zài）學習（xí）和補償方（fāng）法對庫侖計量法是非常關鍵重要的。下圖（tú）顯（xiǎn）示了當（dāng）完全充電容量被高估和被（bèi）低估時，荷電狀態誤差的趨勢（shì）現象。

圖十一、完全充電容量（liàng）被高（gāo）估和（hé）被低估時，誤差（chà）的趨勢

2.4 動態電壓算法（fǎ）電量計

動（dòng）態電壓算法（fǎ）電量計僅根據電池電壓即可計算鋰電池的荷電狀態。此（cǐ）法是根據電池電壓和電池的（de）開路電壓之間的（de）差值（zhí），來估計荷（hé）電狀（zhuàng）態的遞增量或遞減（jiǎn）量。動態（tài）電壓（yā）的（de）信息可以有效地（dì）仿真鋰電池的行（háng）為，進而決定荷電狀態SOC(%)，但此方法並不（bú）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壓之間的動態差異，借著使用迭代算法來計算每次增加或減少的荷（hé）電狀（zhuàng）態，以估計荷電狀（zhuàng）態。相較於庫（kù）侖計量法電量計的解決方案，動態電壓算法電量（liàng）計（jì）不會隨時間和電流累積誤差。庫侖計（jì）量法電量計通常會因為電流（liú）感測（cè）誤差及電池自放電而造成荷電狀態（tài）估計不準。即使電流感測誤差非常小，庫（kù）侖計數器卻會持續累積誤差，而所累積的（de）誤差隻（zhī）有在完全充電或完全放電才（cái）能消除。

動態電（diàn）壓算（suàn）法電量計僅由電壓信息（xī）來估計電池的荷電狀態;因（yīn）為（wéi）它不是由（yóu）電池的（de）電流信息來估計，所以不會累積誤差（chà）。若要提高荷電狀態的精確度，動態電壓算法需要用實際的裝置，根據它（tā）在完全充電（diàn）和完全（quán）放電的情況下，由實際的（de）電池電壓曲線來調整出一優化的算法（fǎ）的（de）參數。

圖十二、動態電壓算法電量計和增益（yì）優化（huà）的表現

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

圖十三、不（bú）同的放電（diàn）速率條件下，動（dòng）態電壓算法的荷電（diàn）狀態的（de）表現

下圖顯示（shì）在電池短充短放情（qíng）況下，荷電狀態的表現。荷電狀態誤差仍然很小，且最大誤差僅有3%。

圖十四、在電池短充短放的情況，動（dòng）態電壓算法的荷電狀態（tài）的表（biǎo）現