仅通过电压测量估算电池剩余容量不准确

实施电池电量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，但它不能产生最准确的结果。本应用纪要研究了基于电压的锂离子和镍氢电池电量计方法。提供的数据表明，当电池经受不同温度和放电率的真实条件时，将电压测量作为电量计方法时引入的高度误差。

与库仑计数相比，通过简单地测量电池的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，但在实际条件下，仅电压测量可能会产生很大的误导。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而变化很大。图1显示了镍氢（NiMH）电池在不同温度和不同放电速率下放电时的电压曲线。

图1.NiMH在整个温度（0.1C / 0.7C）范围内放电。

图1强调的一点是电池电压与其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率乘以完全放电前的剩余秒数来计算。表1和表2显示了剩余电荷值（以毫安小时为单位）与电池电压的关系。表2没有较高电压电平的值，因为较高的放电速率会立即降低电池的启动电压电平。

 

电压 （V）	温度（°C）
	60	50	40	30	20	10	0	-10	-20
1.40	3418.46	3361.71	3321.66	3271.60	3205.04	3141.66	3031.61	2828.14	2391.26
1.35	3245.02	3181.60	3124.88	3068.15	3011.60	2968.23	2914.87	2761.44	2357.90
1.30	2921.51	2828.09	2754.69	2687.96	2651.40	2641.39	2641.39	2581.34	2271.19
1.25	1177.27	1113.89	1023.83	953.79	920.48	940.49	1150.60	2127.77	2047.73
1.20	463.57	506.92	480.24	450.22	420.22	403.54	420.22	570.29	1354.04
1.15	273.47	290.14	280.14	263.46	246.79	230.12	220.12	260.13	490.26
1.10	146.74	170.09	166.75	156.74	146.74	136.73	130.07	143.40	226.78
1.05	53.36	66.70	66.70	66.70	63.37	60.03	56.70	63.36	90.05
1.00	0.00	0.00	0.00	0.00	0.00	0.00	0.00	0.00	0.00

电压 （V）	温度（°C）
	60	50	40	30	20	10	0	-10	-20
1.40
1.35				2823.67	2706.99	2520.30	2030.24
1.30	3010.36	2940.35	2847.01	2753.66	2636.98	2473.63	2006.91	1096.80	420.05
1.25	2823.67	2730.33	2660.32	2566.97	2473.63	2356.95	1960.24	1073.47	412.28
1.20	2450.29	2356.95	2286.94	2240.27	2240.27	2170.26	1866.89	1050.13	404.48
1.15	746.75	630.07	583.40	630.07	910.11	1750.21	1633.53	956.79	396.71
1.10	140.02	116.68	93.35	116.68	163.35	256.70	1003.46	746.76	350.04
1.05	23.33	23.34	23.34	23.33	46.67	46.68	116.68	280.04	233.36
1.00	0.00	0.00	0.00	0.00	0.00	0.00	0.00	0.00	0.00

 

这两个表中的数据表明，对于给定的测量电压，电池的剩余容量可能会有很大差异。图2显示了在给定放电速率和电池电压下，在指定温度范围内遇到的剩余容量的最大百分比变化，以20°C剩余容量数为基准。该最大百分比变化是基于电压的电量计在指定温度范围内的最大误差。例如，在1.2V电池电压和0.7C放电速率下，-20°C至60°C范围内的最大误差是从-20°C值到20°C基线的百分比变化，或（2240.27-404.28）/2240.27 = 82%。数据分为 0° 至 40° 和 -20° 至 60° 温度范围，以表明即使在正常工作条件下，误差也可能很大。另请注意，放电电流越大，测量误差越大。

图2.NiMH 不同放电率和温度范围的最大误差 （%）。

还收集了锂离子（Li+）电池的类似数据。结果如下表和图所示。请注意，锂离子电池的标称容量约为镍氢电池的三分之一。两种像元类型的百分比误差相似。

 

电压 （V）	温度（°C）
	60	50	40	30	20	10	0	-10	-20
4.1	1240.17	1216.83	1195.83	1177.16	1157.33	1152.66	1100.17	1004.50	953.17
4.0	1053.50	1032.49	1016.16	1007.99	1009.17	1041.83	1069.83	1003.33	951.25
3.9	824.83	801.49	786.33	780.49	789.93	842.33	952.00	994.00	949.33
3.8	670.83	646.33	626.49	610.16	607.83	627.66	756.00	932.17	947.33
3.7	581.00	556.49	535.49	519.16	513.33	513.33	565.83	802.67	924.00
3.6	505.17	480.66	460.83	444.49	436.33	432.83	466.67	632.33	866.83
3.5	438.67	416.49	396.66	380.33	372.17	367.49	394.33	488.83	753.67
3.4	380.33	359.33	340.66	324.33	315.00	311.49	333.67	397.83	583.33
3.3	326.67	306.83	289.33	274.16	264.83	261.33	281.17	329.00	432.83
3.2	277.67	258.99	242.66	227.49	218.17	216.99	234.50	271.83	330.17
3.1	228.67	212.33	197.16	184.33	175.00	176.16	192.50	220.50	256.67
3.0	179.67	165.66	152.83	141.16	133.00	136.49	154.00	175.00	198.33
2.9	129.50	118.99	110.83	100.33	93.33	99.16	117.83	154.00	148.17

电压 （V）	温度（°C）
	60	50	40	30	20	10	0	-10	-20
4.1
4.0
3.9	1157.34	1148.00	1129.34	1082.67	1036.00
3.8	980.00	989.33	1026.67	1045.34	1008.00	924.00	672.00
3.7	756.00	774.67	830.67	933.34	961.33	914.67	668.83	214.67
3.6	588.00	588.00	616.00	746.67	868.00	896.00	665.75	212.80
3.5	494.67	485.33	494.67	560.00	700.00	877.33	662.67	210.94	37.33
3.4	420.00	410.67	410.67	438.67	513.33	830.67	648.67	209.07	35.46
3.3	354.67	345.33	345.33	354.67	392.00	653.33	634.67	207.21	33.60
3.2	298.67	289.33	289.33	298.67	317.33	457.33	611.34	205.34	31.73
3.1	242.67	242.67	242.67	242.67	252.00	317.33	588.00	186.67	29.87
3.0	196.00	196.00	196.00	186.67	196.00	233.33	420.00	177.34	28.00
2.9	158.67	149.33	149.33	149.34	149.33	168.00	289.33	163.34	18.66

 

图3.Li+最大误差（%），适用于不同的放电率和温度范围。

如果电池的温度和放电速率已知，系统可以纠正此错误。但是，如果包括这些测量，则该过程将变得比库仑计数方法更复杂和昂贵，并且不会提供任何显着优势。请参阅达拉斯半导体的应用说明AN131“使用达拉斯半导体器件进行Li+燃料测量”，了解如何进一步提高达拉斯库仑计数器件的精度。联系电池管理营销部以获取文档副本。

该实验的数据是从额定容量为4mAH的3/3500A尺寸镍氢电池和额定容量为4mAH的3/1250A尺寸锂离子电池中收集的。NiMH电池在环境温度下以1C速率充电，直到电池电压从峰值下降3mV。Li+以1C的速率充电，直到达到4.2的电池电压。充电在恒定的 4.2 伏下完成，直到充电电流降至 C/20 或 70mA 以下。在以不同的速率和温度放电期间，以30秒的间隔记录电池的电压水平。NiMH电池被认为在1.0伏特下完全放电，Li+在2.5伏下完全放电。使用吉时利 2304A DVM/电源进行测量。细胞的温度由Tenney环境室调节。

审核编辑：郭婷