鋰離子電池開路電壓與電池容量的對應關系分析
先給出一個表格:如下,百分比是電池的剩余容量,右側是對應的電池的開路電壓(OCV).
100%----4.20V
90%-----4.06V
80%-----3.98V
70%-----3.92V
60%-----3.87V
50%-----3.82V
40%-----3.79V
30%-----3.77V
20%-----3.74V
10%-----3.68V
5%------3.45V
0%------3.00V
以下是這個表格的來龍去脈.
一.首先幾個概念解釋:
1.OCV:open circuit voltage的縮寫,開路電壓.
2.鋰離子電池:本篇討論的是目前手機上普遍采用的以4.2V恒壓限制充電的單節鋰離子電池.
3.mAh:電池容量的計量單位,實際就是電池中可以釋放為外部使用的電子的總數.
折合物理上的標準的單位就是大家熟悉的庫侖.
庫侖的國際標準單位為電流乘于時間的安培秒.
1mAh=0.001安培*3600秒=3.6安培秒=3.6庫侖
mAh不是標準單位,但是這個單位可以很方便的用于計量和計算.
比如一顆900mAh的電池可以提供300mA恒流的持續3小時的供電能力.
4.fuel gauging:電量計量,原意是油量計量,后在電化學上被引用為電量計量的意思.
最科學的并且是最原始的電池的電量計量方法是對流經的電子流量的統計.即庫侖計(coulomb count).
★要想獲得鋰離子電池的電量使用的正確情況,只有用庫侖計.就象大家家里面的水量計量用的水表的作用原理.要計算流經的電荷的多少才能獲得鋰離子電池的電量使用情況.
二.電壓與容量的關系
但是鋰離子電池有一個對電量計量很有用的特性,就是在放電的時候,電池電壓隨電量的流逝會逐漸降低,并且有相當大的斜率.這就提供給我們另外一種近似 的電量計量途徑.取電池電壓的方法.就好像測量水箱里面的水面高度可以大概估計剩余的水量這個道理一樣.但是實際上電池的電壓比水箱里面的平靜的水面高度 測量要復雜的多.
用電壓來估計電池的剩余容量有以下幾個不穩定性:
1.同一個電池,在同等剩余容量的情況下,電壓值因放電電流的大小而變化.
放電電流越大,電壓越低.在沒有電流的情況下,電壓最高.
2.環境溫度對電池電壓的影響, 溫度越低,同等容量電池電壓越低.
3.循環對電池放電平臺的影響, 隨著循環的進行,鋰離子電池的放電平臺趨于惡化.放電平臺降低.所以相同電壓所代表的容量也相應變化了.
4.不同廠家,不同容量的鋰離子電池,其放電的平臺略有差異.
5.不同類型的電極材料的鋰離子電池,放電平臺有較大差異.鈷鋰和錳鋰的放電平臺就完全不同.
以上這些都會造成電壓的波動和電壓的差異,使電池的容量顯示變的不穩定
★★一臺手機上用電壓計量電池容量時,因為手機不可能一直處于小電流的待機狀態.暫時的大電流的損耗,比如開背光, 放鈴聲,特別是通過,都會造成電池電壓很快降低.此時手機顯示的容量要降低得比實際容量降低更多.而當大電流撤掉以后,電池的電壓會回升.這就會造成手機 容量顯示反而上升這種不合理的現象.
三.電池電壓對電池容量的表格
說了這么多,下面給出一個標準的電壓對電池剩余容量的表格(左側)
以及大電流恒流放電是電池電壓對容量的表格(右側)
標準條件描述:
1.室溫
2.新的電池
3.完全充飽以后進行GSM模擬放電
4.測量電池電壓時,關斷放電回路,測量電池開路電壓.排除放電電流對電壓的影響.
5.選用鈷鋰的電池,因為目前手機上大多選用的是鈷鋰.錳鋰很少.
大電流恒流放電條件描述:
1.室溫
2.新的電池
3.完全充飽以后進行550mA的恒流放電
4.測量電池電壓時,不關斷放電回路,測量電池實際工作電壓.攜帶放電電流對電壓的影響.
5.選用鈷鋰的電池,因為目前手機上大多選用的是鈷鋰.錳鋰很少.
★★★★★
具體數據如下,以10%的容量間隔進行劃分
OCV電壓對容量關系 550mA恒流放電電壓對容量關系
100%----4.20V 100%----4.20V
90%-----4.06V 90%-----3.97V
80%-----3.98V 80%-----3.87V
70%-----3.92V 70%-----3.79V▲
60%-----3.87V 60%-----3.73V
50%-----3.82V 50%-----3.68V
40%-----3.79V▲ 40%-----3.65V
30%-----3.77V 30%-----3.62V
20%-----3.74V 20%-----3.58V
10%-----3.68V 10%-----3.51V
5%------3.45V 5%------3.42V
0%------3.00V 0%------3.00V
★★★★★
以上數據為我三年來對鋰離子電池測試的統計, 因為電池電壓的影響因素實在太多,表中的僅供各位參考.
注意這里電池電壓與容量不是線性關系.也沒有其它公式可以套用.手機只能實現制備一個對應的表格來對照實際測量到的電壓,來近似取得電池的容量.
鋰離子電池的OCV放電電壓在4.20V到3.90V之間下降斜率較快.
在3.8V前后有一個相對平緩的放電平臺
在低于3.7V以后,電壓隨容量下降急劇降低到3.0V
而對照的大電流放電(1C)的放電平臺出現在3.65V左右
由對比表格可以看到.
如果長時間處于大電流放電狀態,當電壓降到3.79V時, 手機這個時候認為只有40%(參考左側)的電量.而實際電池應該還有70%的電量(參考右側).當手機重新進入小電流待機時,電池電壓會回升到對應左側的3.92V(70%).那么手機的容量顯示就會出現反跳現象.
四.手機上采用測量電壓法來計量電池容量的具體應用:
1.手機設計的電量顯示就是根據這個電壓對容量的關系來設置手機上電量的顯示.
2.常用的電量格.有三格或四格的.以四格電量的顯示來講.
各個手機設計時每一格代表的電量并不一定是平均的25%.
實際情況往往可能是第一格代表了50%或者更多.第二格代表20%.....是一種不平均的分配.
波導S1200的第一格電量就代表了前面的60%以上的電量.
廈新A8的第一格電量代表了前面的70%左右的電量.
其它三星手機,philips的都有各自不同的格子定義.
當然采用這種原理的也有用百分比來顯示的(就象上面的百分比).
3.但是只要是采用電壓來計量容量原理來工作的手機,這個電量就不可避免的存在下述弊端
電量的精度(分辨率)不高.三格,四格或10格(就象上面的百分比).
電量會出現反復變化,比如打完一個電話后從兩格降低到一格后,過一會兒又反彈回兩格這種現象.
4.手機對電池電壓的采樣,一般會盡量采用低消耗電流時的電壓(比如待機時),
這時獲得的電壓比較有參考價值.
而且手機軟件會采用"多點采樣計算平均值"的算法來避免瞬間電流對電壓的干擾.
5.手機里面設定容量格數的電壓臨界值是固定不變的.
而電池隨著循環的進行或選用放電平臺很差的電池時,其對應的剩余容量會出現很大的差異，比如放電平臺高的電池,其第一格所代表的電量可以用3天,而循環了100次的電池和差的劣質電池.
其第一格電量卻只能用1到2天.甚至出現在電量為空格的時候卻還可以待機2天的怪異現象.
6.在處理電壓反跳現象時,有些手機會采用鎖定容量格數的一個算法.即容量顯示不反跳,但是當前的容量格數的使用時間會相對延長一點.
7.有些早期的手機使用的是鎳氫電池或鎳鎘電池,
同樣鎳基電池也可以繪出一個放電電壓對容量的關系.其原理也是一樣的.這里不另行詳細說明.
總之,采用測量電池電壓來計量電池容量是個簡單易行,但是略顯粗糙的方法.
真正高級的鋰離子電池電量計量只有采用庫侖計并使用高級的電量計量算法.