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LixC66C + 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