瑞萨DA1469x电量计解读之电池基础与充电过程

2026-09-21 1138 #智讯达人标签:

一、术语和定义

SoC电量状态（State of Charge）

OCVL低放电电流下的开路电压（Open Circuit Voltage for low discharge current）

OCVH高放电电流下的开路电压（Open Circuit Voltage for high discharge current）

二、引言

电池是储存电能的主要来源。对于依靠可充电电池供电的可穿戴系统，用户希望知道电池中剩余能量，以便预估何时需要充电。剩余能量的百分比通过“电量状态（State of Charge，SoC）”这一参数来衡量。SoC定义为电池剩余能量占满电状态能量的百分比，通常以额定容量（mAh）作为估算基准。图 1展示了电池从满电到空电的SoC变化。

图 1：不同 SoC下的锂离子电池

精确估算电池SoC有助于告知用户应用还能工作多久才需要充电。从安全角度看，SoC可确保电池达到 100%后不会过充。通过SoC估算，用户可以了解设备在下次充电前还能使用多久。满电电池SoC为 100%，空电电池对应0%。SoC还能有效反映电池系统相对于额定状态和寿命终止状态的表现。负载越高，SoC下降越快，本SoC算法已考虑这一点。SoC测量有助于选择适当的充放电曲线，以延长电池寿命。

SoC与电池端电压（开路电压OCV）成正比。SoC随电池电压下降而降低。图 2给出了SoC与电池开路电压及负载电流关系的示例曲线。

图 2：不同放电倍率下的开路电压与SoC关系

图 2 来自典型锂离子（Li-ion）电池在不同C倍率下放电的曲线。很明显，SoC与电池电压及负载/放电电流相关。所施加的负载/放电电流分别为0.2C、0.5C、1C和2C。

电池容量通常以1C为基准标定，即额定容量为200mAh的满电电池应能以200mA放电一小时。同一电池以0.5C放电时，可提供100mA两小时；以2C放电时，可提供400mA三十分钟。

放电电流越大，SoC和电压下降越快。图 2中绿线对应2C放电倍率，位置最高；黑线对应最低的0.2C放电倍率。0.2C时电压下降速度明显慢于2C。因此，2C时SoC下降速度也快于0.2C。图 2中3.2V对应电池空电状态，这是截止电压，对应SoC为0%。

每个品牌、每种类型的电池都有其自身的充放电特性。为使算法提供准确的SoC估算，需要对电池进行特性化（profiling），以确定不同C倍率下电压与SoC之间的关系。

2.1 SoC估算概念

SoC是当前存储电荷Q与总容量C的比值。总容量可从电池规格书中获得。SoC=1对应满电电池，SoC=0对应空电电池。

对于一次充/放电操作，考虑tα和tβ两个时刻。Qα和Qβ分别对应tα和tβ时刻的电荷量，因此存储/消耗的电荷为Qα–Qβ。当Qα变化到Qβ时，SoC从SOCα =SOC（tα）变化到SOCβ=SOC（tβ）。对tα和tβ分别使用库仑计数关系式，可计算出电池单体的总容量。

两个精确的SoC测量值以及这两个值之间的积分电流，足以计算当前时刻的容量C。SoC与开路电压（OCV）相关，当SoC从SOCα变化到SOCβ时，OCV从OCVα=OCV（tα）变化到OCVβ=OCV（tβ）。

OCV与SoC的线性插值关系可图示为图 3：

图 3：OCV与SoC关系

（DVL=放电电压限值，CVL=充电电压限值）

由上述关系可知，电池的当前容量可根据充放电电荷量、SoC和开路电压求得。

如前所述，为准确估算SoC，需要对电池进行特性化（或标定）。电池特性化的作用是以已知电流对电池进行充放电，并测量对应的开路电压。电池特性化首先将电池准备到满电状态，使SoC对应100%。特性化工具会以特定电流放电一段时间，使SoC下降5%，记录该SoC对应的电压。充电时同理，以特定电流充电一段时间，使SoC上升5%。

电池特性化会生成查找表（LUT），记录高负载（hlut）、低负载（llut/OCV）和充电电流（clut）下测得的SoC与电压。这些查找表被插入到DA1469xSoC软件中。SoC软件可添加到客户应用中，在应用运行时用于随时计算电池电量。

2.2 温度对SoC的影响

温度对锂离子电池的容量和SoC有显著影响。低温且负载需求较高时，温度影响更为明显。低温下开路电压下降更快，低温高负载时电压下降速率更快，因此低温下SoC也会下降。

图 4：温度对锂离子电池容量的影响

图 4表明，与10°C和25°C环境温度相比，在零度以下充放电时，电池容量显著降低。低温下电池内阻显著增加，影响电池的驱动电流能力，因此锂离子电池的容量和SoC都会下降。根据需求，电池特性化和SoC软件需考虑温度补偿，特别是对于高负载且伴随高温或低温的应用。

注意：

如果放电电流低于0.2C，且工作温度>5°C并<35°C，温度影响不大。

由于大多数应用不会暴露在零度以下或极高温度下，示例SoC软件不使用与温度相关的查找表，而是使用单一的低负载、高负载和充电电流查找表。

表 1：不同负载下OCV与SoC查找表

（低负载、高负载、充电电流）

SoC（%）	llut（mV）（OCV）	hlut（mV）	clut（mV）
100	4290	4290	4329
95	4185	4160	4326
90	4130	4106	4325
85	4075	4052	4315
80	4025	4001	4261
75	3972	3952	4240
70	3900	3880	4169
65	3876	3856	4124
60	3839	3819	4094
55	3810	3790	4061
50	3786	3766	4033
45	3765	3745	4010
40	3744	3724	3993
35	3722	3702	3981
30	3704	3684	3967
25	3686	3666	3954
20	3670	3650	3932
15	3645	3625	3906
10	3630	3610	3878
5	3545	3525	3815
0	3233	3213	3564