一文详解锂离子电池和电量计

一、锂离子电池简介

1.1 SOC（充电状态）

SOC 定义为电池中可用能量的状态，通常以百分比表示。因为可用能量变化取决于不同的充电/放电电流、温度和老化效应，所以 SOC 可以更明确地定义为 ASOC（绝对充电状态）和 RSOC（相对充电状态）。通常，RSOC 的范围是从 0% 到 100%，完全充电的电池的 RSOC 始终为 100%，完全放电的电池的 RSOC 为 0%。ASOC 是由设计容量计算的参考值，设计容量是电池制造时的固定容量。充满电的新电池将具有 100% 的 ASOC，但由于充电/放电条件不同，充满电的老化电池可能低于 100%。

下图是不同 C 速率下电压与容量的示例。较高的 C-rate 负载将具有较低的输出容量。较低的温度导致较低的输出容量。

图 1. 不同 C 速率和温度下的电压与容量

1.2 最大充电电压

最大充电电压由电池的化学成分和特性决定。通常，锂离子电池的充电电压为 4.2V 和 4.35V。如果阳极/阴极材料发生变化，情况可能会有所不同

1.3 充满电

当电池电压与充电电压之差在100mV以内且充电电流小于C/10时，则认为电池已充满。条件可能会根据不同的电池特性而变化

下图为典型锂电池的充电曲线。当电池电压等于 Max Charge Voltage 且充电电流小于 C/10 时，则认为电池已充满电。

图 2 典型锂电池的充电曲线

1.4 迷你放电电压

迷你放电电压也可以定义为终端电压。通常，Mini Discharge Voltage 表示 SOC 等于 0% 的电压。电压不固定，将根据不同负载、温度、老化影响或用户要求进行充电。

1.5 完全放电

当电池电压等于或小于最小放电电压时，电池被认为是完全放电的。

1.6 C 率

C-Rate 是充电/放电电流的表达式，用电池容量标准化。例如，1C放电时，理想的电池在1小时内完全放电。可用容量随不同的 C 速率而变化。通常，C-rate 越大，可用容量越小。

1.7 循环计数

循环计数是电池在老化过程中经历了多少次充电/放电循环的参考数字。由放电容量和设计容量估算。当累积放电容量等于设计容量时，循环计数增加。通常，500 次循环后，充满电的容量会降低 10%~20%。

图 3. 循环时的完全充电容量

1.8 自放电

所有电池化学物质的自放电在较高温度下都会增加。自放电基本上不是制造缺陷，而是电池特性。然而，不良的生产实践和不当的处理可能会增加这种影响。自放电率通常每升高 10°C 就会翻倍。锂离子电池每月有 1~2% 的自放电，镍基电池每月有 10~15%。

图 4. 不同温度下的容量保持率

二、电量计介绍

2.1 电量计功能介绍

电池管理是功率测量的一部分。电量计在电池管理领域负责估计电池的容量。电量计的基本功能是监测电压、充放电电流和电池温度，估计电池的SOC和电池的满充电容量（FCC）。有两种经典的方法可以进行 SOC 估计，分别是开路电压 （OCV） 和库仑计数器。另一种方法是RICHTEK设计的基于动态电压的算法。

2.2 开路电压

电量计的开路电压算法很容易实现，通过将开路电压映射到SOC查找表，并使用几个点来拟合OCV曲线。开路电压的一般定义是电池松弛大约 30 分钟以上。

电池电压曲线会根据负载、温度、年龄等不同而变化，因此静态的OCV表并不能代表SOC。SOC 估计不能依赖于查找表。因此，如果仅通过 OCV 估计 SOC 误差很大。

下图显示，电池在充放电状态下SOC误差很大，因为IR压降是由电池阻抗和充放电电流引起的。这意味着通过静态电压测量的SOC估计应该使用单独的充电和放电查找表来完成。

图 5. 充放电条件下的电池电压

下图显示，在不同负载下的放电条件下，SOC变化仍然很大。因此 OCV 仅适用于 SOC 精度要求较低的系统，例如车辆的铅酸电池或不间断电源。

图 6 放电时不同负载下的电池电压

2.3 库仑计数器

库仑计的工作原理是在电池的充电/放电路径中连接一个检测电阻。ADC 测量检测电阻上的电压，然后在电池充电或放电时传输电流值。实时计数器 （RTC） 为整合电流到库仑信息提供了时序基础。

图 7. 库仑计基本操作图

库仑计数器在充电或放电期间提供准确的短期 SOC 报告精度。可通过充电库仑计（CCR）和放电库仑计（DCR）上报剩余容量（RM）和满充电容量（FCC）信息，通过RM和FCC（SOC-RM/FCC）上报SOC。此外，它还可以提供剩余时间估计，如清空时间 （TTE） 和充满时间 （TTF）。

图 8. 库仑计计算公式

导致库仑计精度漂移的关键因素有两个。首先是电流检测和 ADC 测量中失调误差的累积。尽管当前技术的测量误差很小，但如果没有好的方法来消除误差，那么在此类系统中误差会随着时间的推移而增加。下图显示，在实际应用中，如果不随时间观察校正条件，累积误差是无限的。

图 9. 库仑计数器累积误差

为了消除累积误差，可以在正常电池操作中使用三个事件。它们是充电结束 （EOC）、放电结束 （EOD） 和放松。如果达到 EOC 条件，则表示电池已充满电，SOC 应为 100%。EOC 事件通常由电荷定义，其条件也会影响库仑计的性能。EOD 条件意味着电池在放电时是空的，那么 SOC 应该是 0%。它可以是绝对电压电平，也可以是通过负载补偿的变量。当电池没有充电或放电并长时间保持这种状态时，就达到了松弛状态。如果用户想使用松弛条件进行库仑计误差校正，OCV 表是必需的。

图 10. 消除库仑计累积误差的条件

引起库仑计误差的第二个因素是FCC误差，它是算法账户与电池真实FCC之间的偏差。FCC 会受到温度、老化、负载等因素的影响。因此，FCC 的重新学习和补偿方法也是库仑计算法的关键。下图显示了 FCC 被高估和低估时的 SOC 误差趋势。

图 11. 高估和低估时的 FCC 误差

2.4 基于动态电压的电量计

基于动态电压的电量计仅根据电池电压计算和确定 Li+ 电池 SOC。该算法根据电池电压和电池OCV之间的差异，通过迭代模型估计SOC的增加或减少。动态伏打信息可以有效地模拟Li+电池的行为并确定SOC（%），但不能估计电池容量（mAh）。

该计算基于电池电压信息和电池电压与松弛OCV之间的动态差异，通过使用迭代算法计算增加或减少的SOC来估计SOC。与基于库仑计的电量计解决方案相比，基于电压的电量计不会随时间和电流累积误差。基于库仑计的电量计由于电流检测误差和电池自放电而存在 SOC 漂移。即使存在非常小的电流感应误差，库仑计数器也会不断累积误差。只有完全充电或完全放电才能消除累积误差。

基于电压的电量计仅通过电压信息估计电池SOC，不会累积误差，因为它不依赖电池电流信息。为了提高 SOC 精度，动态电压算法中的优化增益可以根据具体手机在满充和满放电时的实际电压曲线进行调整。

图 12. 基于动态电压的电量计和增益优化

以下是基于动态电压的算法在不同C-Rate条件下的SOC性能，表明SOC精度良好。C/2、C/4、C/7和C/10的整体SOC误差小于3%。

图 13. 不同 C-Rate 条件下基于动态电压的 SOC 性能

下图是部分充放电条件下的SOC性能，可以看出SOC误差还是很小的，最大误差只有3%左右。

图 14. 部分充电和放电条件下基于动态电压的 SOC 性能

它不会随着时间和电流累积误差。与库仑计相比，这是一个优势，库仑计会因电流检测错误和电池自放电而导致 SOC 漂移。由于没有充放电电流信息，基于动态电压的算法短期精度较差，响应时间较慢。此外，它也无法估计满充电量。它具有准确的长期准确性，因为电池电压最终会指示 SOC。

三、 RT9428电量计及测试

3.1 RT9428介绍

RT9428是一款紧凑型主机侧电量计 IC，适用于锂离子 （Li+） 电池供电系统。对于嵌入式 Fuel Gauge 功能，充电状态 （SOC） 计算基于电池电压以及电池电压与松弛 OCV 之间的动态差异来估计增加或减少的 SOC。

RT9428和RT9420功能相同，但封装类型不同。RT9428采用WL-CSP-8B 1.6x1.52 （BSC） 封装，RT9420采用 WDFN-8L 2x3 封装。

RT9420RT9428

图 15. RT9420和RT9428的封装和管脚定义

RT9428用于系统侧，直接由电池供电。参考下面的典型应用电路，RC 滤波器为 IC 电源和 VBAT 引脚上的电压测量节省了噪声。为减少 IR 压降效应，请使 VBAT 的连接尽可能靠近电池组。当检测到电量不足时，ALERT 引脚会向系统处理器提供电池电量不足中断信号。QS 引脚在典型配置中未使用，它需要连接到 GND。

图 16. RT9428典型应用电路

RT9428采用基于电压的算法，可以支持平滑的 SOC，并且不随时间和电流累积误差。与库仑计相比，这是一个优势，库仑计会因电流检测误差和电池自放电而导致 SOC 漂移。下面是基于电压的算法和库仑计的比较。

3.2 RT9428温度补偿

根据第 1.1 章，电池特性在不同温度下会有所不同。在软件驱动中进行电量计温度补偿之前，我们应该预先确定不同温度下的电池参数，通常为5/25/45°C。然后，软件驱动程序定期检查系统温度，根据温度将参数（VGCOMP）写入RT9428 。请参考下面的伪代码和框图。

图 17. RT9428软件驱动伪代码

3.3 测试条件

定义

理想SOC：实际SOC是根据测试完成后的充放电容量和满容量。理想的SOC只能在测试结束后重新计算，因为真正的放电容量是在放电结束后计算的。

SOC：电量计的 SOC 报告

FCC：测试完成后电流和时间的积分计算满充电量

SOC Error：报告 SOC 与理想 SOC 之间的差异

使用RT9420 /9428 EVB 在以下测试条件下测试电量计性能：

- 恒流放电/充电测试

- 恒功率放电测试

- 真实手机测试

测试框图

图 18. 通过 I 2 C 接口从电量计访问 SOC 和 VBAT

3.4 恒流放电测试示例

测试以确认电量计可以在不同的负载和温度条件下提供准确的 SOC 报告。

条件：C/4 & C/7 放电，直到电压 《 3.3V at 5/25/45°C

图 19. 恒流放电测试结果

3.5 恒功率放电测试示例

测试以确认电量计可以在不同的负载条件下提供准确的 SOC 报告。

条件：恒定3W、4W和5W放电，直到电压《3.2V

图 20 恒功率放电测试结果

3.6 真机测试示例

测试确认电量计可以提供准确的SOC报告与真实的手机系统。

条件：

动态正常放电，直到手机自动关机。

正常充电，直到手机自动停止充电。

图 21. 手机测试结