鋰電池電壓和容量關係分析



1. 新電池的電壓對容量的關係

   

     測試對象:國產和日產電芯各一種(都是主流電芯生產商), 爲避免不必要的糾紛, 所有資料中均不明寫電芯廠家. 下同.

     測試方法: 1K電阻恆阻放電(此時對應的放電電流非常符合目前手機3~5mA的待機電流)

     數據處理方法: 積分(詳細步驟不做陳述),得到電壓和容量百分比關係圖.

     爲便於查看, 提供表格一份:

容量百分比%	電池電壓 V
100	4.2
90	4.08
80	4
70	3.93
60	3.87
50	3.82
40	3.79
30	3.77
20	3.73
15	3.7
10	3.68
5	3.5
0	2.5

     以上數據基本能代表目前主流鋰離子電芯的待機電壓對容量的關係.

     注意對象是新電池, 不是使用了1年多的電池. 一般情況下50次左右的循環電池容量和放電平臺不會有太大的改變,均可以利用上述數據.

     

2. 使用後的電池的情況.

     許多人都會偶爾關心一下電池會不會老化, 老化後性能如何.

     這裏貼上一個圖, 就一目瞭然了.

    測試對象:一塊使用1年半的國產電芯, 和沒有使用過的國產電芯和日產電芯各一塊.其中國產電芯標稱950mAh.日產電芯標稱1000mAh.

     測試方法:500mA恆流放電(此電流比較接近極限通話平均電流)

     紅色曲線就是那塊使用過的電池的表現.

     對於這塊使用過的電芯,可以得到如下幾個結論

     --電池的真實容量(對應放電到2.75V的容量)仍然滿足要求, 達930多mAh.國標要求能達到標稱的70%就還算合格. 與其同初始容量(藍色曲線)相比, 真實容量降低了將近100mAh(10%左右)

     --電池的放電平臺明顯降低.隨之帶來電量顯示的不準.

     --電池的實際可用容量大大的降低. 以3.3V截止電壓進行評估(此電壓一般是手機通話狀態的強行關機電壓),新電芯有超過950mAh的可用容量, 而舊電池僅700多mAh.剩下的200多mAh(20%多)的容量就無法利用起來了.

3.手機電池電量格數的定義

一般手機設計待機電量時, 比如有4格5檔(4-3-2-1-0)的電量指示.

　　設計者不會把我上面提到的新電池的電壓對容量關係進行均分,取75%-50%-25%-0%這樣進行電壓劃分. 因爲要考慮到電池使用一段時間(比如1年)後, 其放電平臺會降低,上述的比例肯定會失調.

　　所以廠家會考慮一點點這方面的餘量.以新電池的60%-40%-20%-5%這樣的比例進行設計.即

　　4.20V~3.90V滿格

　　3.90V~3.80V三格

　　3.80V~3.72V兩格

　　3.72V~3.65V一格

　　3.65以下，低電壓告警。

     雖然在使用新電池時, 第一格會待機比較長的時間, 最後一格待機比較短. 但是當這個電池使用個一年半載後, 其容量分佈就比較接近均分的情況.

以上數據僅供參考, 並不代表哪家的手機設計.

目前人們主要使用兩種監測方法：
（1）電流積分(current integration)爲基礎；
前者依據一種穩健的思想，即如果對所有電池的充、放電流進行積分，就可以得出剩餘電量的大小。當電池剛充好電並且已知是完全充電時，使用電流積分方法效果非常好。這種方法被成功地運用於當今衆多的電池電量監測過程中。   
   但是該方法有其自身的弱點，特別是在電池長期不工作的使用模式下。如果電池在充電後幾天都未使用，或者幾個充、放電週期都沒有充滿電，那麼由內部化學反應引起的自放電現象就會變得非常明顯。目前尚無方法可以測量自放電，所以必須使用一個預定義的方程式對其進行校正。不同的電池模型有不同的自放電速度，這取決於充電狀(SOC)、溫度以及電池的充放電循環歷史等因素。創建自放電的精確模型需要花費相當長的時間進行數據蒐集，即便這樣仍不能保證結果的準確性。 該方法還存在另外一個問題，那就是隻有在完全充電後立即完全放電，才能夠更新總電量值。如果在電池壽命期內進行完全放電的次數很少，那麼在電量監測計更新實際電量值以前，電池的真實容量可能已經開始大幅下降。這會導致監測計在這些週期內對可用電量做出過高估計。即使電池電量在給定溫度和放電速度下進行了最新的更新，可用電量仍然會隨放電速度以及溫度的改變而發生變化。        
（2）以電壓測量爲基礎。
以電壓爲基礎的方法屬於最早應用的方法之一，它僅需測量電池兩級間的電壓。該方法基於電池電壓和剩餘電量之間存在的某種已知關係。它看似直接，但卻存在難點：在測量期間，只有在不施加任何負載的情況下，才存在這種電池電壓與電量之間的簡單關聯。當施加負載時(這種情況發生在用戶對電量感興趣的多數情況下)，電池電壓就會因爲電池內部阻抗所引起的壓降而產生失真。此外，即使去掉了負載，發生在電池內部的張持過程(relaxation processe)也會在數小時內造成電壓的連續變化，實際的充電過程中，溫度、放電速率以及電池老化等衆多因素都會影響充電狀態。