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仅用电压测量估计剩余电池容量的不准确性

来源:analog 发布时间:2023-12-07

摘要: 本应用说明描述了实现电池燃料计的电压测量基础方法,并解释和量化了当使用该方法时可能引入结果的潜在误差。

实现电池燃料计可以通过多种方式完成,包括使用电压测量或库仑计数。虽然使用电压测量一直是一种流行的选择方法,但它并不能产生最准确的结果。本应用笔记研究了锂离子电池和镍氢电池的基于电压的燃料测量方法。所提供的数据表明,当电池处于不同温度和放电速率的真实世界条件下时,将电压测量作为燃料测量方法引入的高度误差。

与库仑计数相比,通过简单地测量电压水平来确定电池的剩余容量可能更便宜,并且使用更少的主机CPU计算能力,但在现实世界条件下,单独测量电压可能非常不准确。虽然给定电池的电压水平在放电过程中确实会不断下降,但电压水平与剩余电荷的关系随着电池温度和放电速率的变化而变化很大。图1为不同温度、不同放电速率下镍氢电池的放电电压曲线。


图1所示。镍氢放电超温(0.1C/0.7C)。

图1的重点是电池电压和剩余电荷之间的关系。上图中电池的剩余电量可以通过将其放电速率乘以完全放电前的剩余秒数来计算。表1和表2显示了以毫安小时为单位的剩余电荷值与电池电压的关系。表2中没有较高电压水平的值,因为较高的放电率会立即降低电池的起始电压水平。

表1。以毫安时为单位的镍氢电池剩余容量对电压和温度的影响(0.1C放电速率)
电压(V)温度(°C)
60504030.20.100-10年-20年
1.403418.463361.713321.663271.603205.043141.663031.612828.142391.26
1.353245.023181.603124.883068.153011.602968.232914.872761.442357.90
1.302921.512828.092754.692687.962651.402641.392641.392581.342271.19
1.251177.271113.891023.83953.79920.48940.491150.602127.772047.73
1.20463.57506.92480.24450.22420.22403.54420.22570.291354.04
1.15273.47290.14280.14263.46246.79230.12220.12260.13490.26
1.10146.74170.09166.75156.74146.74136.73130.07143.40226.78
1.0553.3666.7066.7066.7063.3760.0356.7063.3690.05
1.000.000.000.000.000.000.000.000.000.00
表2:以毫安时计镍氢电池剩余容量与电压和温度的关系(0.7C放电率)
电压(V)温度(°C)
60504030.20.100-10年-20年
1.40








1.35


2823.672706.992520.302030.24

1.303010.362940.352847.012753.662636.982473.632006.911096.80420.05
1.252823.672730.332660.322566.972473.632356.951960.241073.47412.28
1.202450.292356.952286.942240.272240.272170.261866.891050.13404.48
1.15746.75630.07583.40630.07910.111750.211633.53956.79396.71
1.10140.02116.6893.35116.68163.35256.701003.46746.76350.04
1.0523.3323.3423.3423.3346.6746.68116.68280.04233.36
1.000.000.000.000.000.000.000.000.000.00

这两个表中的数据表明,对于给定的测量电压,电池的剩余容量变化很大。图2显示了在给定的放电率和电池电压下,使用20°C剩余容量数作为基线,在指定的温度范围内遇到的剩余容量的最大百分比变化。这个最大百分比变化是基于电压的燃油计在指定温度范围内的最大误差。例如,在电池电压为1.2V,放电速率为0.7C的情况下,在-20°C到60°C范围内的最大误差是-20°C数值与20°C基线值的百分比变化,即(220.27 -404.28)/ 220.27 = 82%。数据分为0°至40°和-20°至60°温度范围,以表明即使在正常操作条件下,误差也可能很大。还要注意,放电电流越大,测量误差越大。


图2。不同放电速率和温度范围的最大误差(%)。

锂离子(Li+)电池也收集了类似的数据。结果如下表和图所示。请注意,锂离子电池的标称容量大约是镍金属氢化物电池的三分之一。这两种单元格类型的错误百分比是相似的。

表3。毫安时剩余锂离子容量与电压和温度的关系(0.1C放电速率)
电压(V)温度(°C)
60504030.20.100-10年-20年
4.11240.171216.831195.831177.161157.331152.661100.171004.50953.17
4.01053.501032.491016.161007.991009.171041.831069.831003.33951.25
3.9824.83801.49786.33780.49789.93842.33952.00994.00949.33
3.8670.83646.33626.49610.16607.83627.66756.00932.17947.33
3.7581.00556.49535.49519.16513.33513.33565.83802.67924.00
3.6505.17480.66460.83444.49436.33432.83466.67632.33866.83
3.5438.67416.49396.66380.33372.17367.49394.33488.83753.67
3.4380.33359.33340.66324.33315.00311.49333.67397.83583.33
3.3326.67306.83289.33274.16264.83261.33281.17329.00432.83
3.2277.67258.99242.66227.49218.17216.99234.50271.83330.17
3.1228.67212.33197.16184.33175.00176.16192.50220.50256.67
3.0179.67165.66152.83141.16133.00136.49154.00175.00198.33
2.9129.50118.99110.83100.3393.3399.16117.83154.00148.17
表4:剩余锂离子容量(mAH)与电压和温度的关系(0.7°C放电率)
电压(V)温度(°C)
60504030.20.100-10年-20年
4.1








4.0








3.91157.341148.001129.341082.671036.00



3.8980.00989.331026.671045.341008.00924.00672.00

3.7756.00774.67830.67933.34961.33914.67668.83214.67
3.6588.00588.00616.00746.67868.00896.00665.75212.80
3.5494.67485.33494.67560.00700.00877.33662.67210.9437.33
3.4420.00410.67410.67438.67513.33830.67648.67209.0735.46
3.3354.67345.33345.33354.67392.00653.33634.67207.2133.60
3.2298.67289.33289.33298.67317.33457.33611.34205.3431.73
3.1242.67242.67242.67242.67252.00317.33588.00186.6729.87
3.0196.00196.00196.00186.67196.00233.33420.00177.3428.00
2.9158.67149.33149.33149.34149.33168.00289.33163.3418.66


图3。Li+最大误差(%)适用于不同的放电速率和温度范围。

如果电池的温度和放电速率已知,系统可以纠正这个错误。然而,如果包括这些测量,该过程变得比库仑计数方法更复杂和昂贵,并且没有提供任何显着的优势。请参阅达拉斯半导体的应用说明AN131“使用达拉斯半导体设备进行Li+燃料测量”,了解如何进一步提高达拉斯库仑计数设备的精度。请与电池管理市场部联系获取该文档的副本。

本实验的数据来源于一个额定容量为3500mAH的4/3A尺寸镍氢电池和一个额定容量为1250mAH的4/3A尺寸锂离子电池。镍氢电池在室温下以1C的速率充电,直到电池电压从峰值下降3mV。Li+以1C的速率充电,直到电池电压达到4.2。充电在4.2伏特的恒定电压下完成,直到充电电流降到C/20或70mA以下。在以不同速率和温度放电期间,每隔30秒记录一次电池的电压水平。镍氢电池在1.0伏完全放电,锂离子在2.5伏完全放电。测量采用Keithley 2304A DVM/电源。细胞的温度由Tenney环境室调节。



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