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图解锂电池电池容量的秘密

2014-11-29 09:06
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   我们现在设计电子产品,很多时候也用锂电池供电,同手机或者平板电脑用锂电池供电一样,熟悉了解锂电池容量的学问,也许对使用和设计锂电池供电包括设计电池充电器来说,很有必要。

  现在好多关注锂电池放电的人,都有这样的体会,就是当锂电池从充满电压4.2V放电到3.7V时,时间很长,但一旦过了3.7V就放电很快了,没错,确实这样。下面翻阅一些锂电池的一些资料,给大家做一个总结。

  一,先说一下电池的放电平台,就是指充满电的锂电池在放电时,电池的电压变化状态。电池恒流放电,电池电压要经历三个过程,即下降、稳定、再下降,在这三个过程中,稳定期是最长的。稳定时间越长,说明电池的放电平台越高。放电平台的高低,与电池制造工艺息息相关。就是因为各个锂电池厂家的市场定位不一样,技术工艺手段不同,其控制的放电平台就不一样,质量也就有很大差别。

  一般地,一节18650的锂电池满电压4.2V,当用1C的电流放电放到3.7V,放了60分钟,那么我们就说电池的使用容量是2200mAh,在这段时间里 根据充电电池特性,做出一个图如下,可以更好理解电池容量和电压电流时间与放电平台关系:

  

  锂电池电池容量与放电平台理解示意图

  容量(C)=放电电流×电池放电平台时间

  对于1节容量为2200mAh的18650锂电池来说,1C放电到3.7V用时1小时,

  容量(C)=2200mA×1小时=2200mAh

  那么问题就来了,对于好一点的锂电池,一般在我们做产品测试时会在3.7V以后电压下降的很快,那么在短时间内放的电量就很少。相反不好的电池在4.2V到3.7V放电的时候,电压下降的很快,而在3.7V以后电压又下降的有很慢,这种电池是性能不好的一般容量也非常低。那么好的锂电池的放电平台就是3.7V。

  就一般而言,在恒压条件下,充到电压为4.2V,电流小于0.01C时停充电,然后搁置10分钟,在任何倍率的放电电流下,放电至3.7V时,电池放电所经历的一个时间长度,是衡量电池好坏的重要指标。不过,不要一味地追求高平台,有时候平台电压高,容量却下降了,因为,不同倍率条件下,平台电压是不同的,因此,平台的问题应从多方考虑。既要容量高,又要在指定电压持续时间长,才算真正的好电池。

  什么又是放电率的呢?

  放电率F:[1/时],意思是 “N小时充(放)电率,常常只说”数“,而不说单位;F也称做 ”N小时充(放)电率“, F =1/(N小时),

  一般可以这样计算:I=0.1 X [1/(N小时)] X C

  举例,电池容量时2200mAh,以 0.1C 的电流充电,相当于明确: 对电池的充电电流 I=0.1[1/时]X2200[毫安时]=220[毫安]

  借助上面的锂电池电池容量与放电平台理解示意图,能比较好的理解充电电池容量和电池的放电平台的道理,也可以说是衡量电池高功率的工作时间,同样两个电池容量是相同的,充满电后假设同时从4.2V放到3.7V,但是一个时间长,一个时间短,就是时间长的电池平台高,就是高电压的时间工作时间长,比如这两个电池用在手机上,待机时间是相同的,但两个手机一起打电话,平台时间长的电池通知时间会长,平台时间短的电池通话时间会短

  二,对于这个图,另一个含义,对理解锂电池的电量管理监测也很有意义。

  比如,目前,对充电电池进行电量监控方法,一般有两种。

  测量电池电压方法。当充电器在充电时检测电池电压,当电压达到规定电压值时就认为充满。如锂电池的电压充到4.2V时就认为充满。检测电压的电压表精度要达到正负1%的精度。因锂电池过充电要损坏。如果想监视电池充放电的话,书上有很成熟的电路可以参考,如果只是测量一下的话那就好办了,根据容量计算一下负载电阻,用标准放电电流放电,这时再检测电压,只要能达到或接近标称的放电时间就行。

  测量电池电压这种方法,有很多不足例如对于不同厂商生产的电池,其开路电压与容量之间的关系各不相同等。优点是设计成本比较低。

  还有一个常用的监测剩余电量的方法是,在一些要求比较精确电池容量的地方,了解电池剩余容量用估算电池使用时间,通过测量流入/流出电池的净电荷来估算电池剩余容量。对流入/流出电池的总电流进行积分,也就是求图中曲线下的面积,得到的净电荷数即为剩余容量。这就电池容量计算的方法是目前认为是比较精确的计算电池电量的方法。当然设计成本也是比较高的。

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