锂电池电压和容量关系分析

1.  新电池的电压对容量的关系

   

     测试对象:国产和日产电芯各一种(都是主流电芯生产商), 为避免不必要的纠纷, 所有资料中均不明写电芯厂家. 下同.

      测试方法: 1K电阻恒阻放电(此时对应的放电电流非常符合目前手机3~5mA的待机电流)

      数据处理方法: 积分(详细步骤不做陈述),得到电压和容量百分比关系图.

      为便于查看, 提供表格一份:

容量百分比%	电池电压 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

      以上数据基本能代表目前主流锂离子电芯的待机电压对容量的关系.

      注意对象是新电池, 不是使用了1年多的电池. 一般情况下50次左右的循环电池容量和放电平台不会有太大的改变,均可以利用上述数据.

     

2.  使用后的电池的情况.

      许多人都会偶尔关心一下电池会不会老化, 老化后性能如何.

      这里贴上一个图, 就一目了然了.

     测试对象:一块使用1年半的国产电芯, 和没有使用过的国产电芯和日产电芯各一块.其中国产电芯标称950mAh.日产电芯标称1000mAh.

      测试方法:500mA恒流放电(此电流比较接近极限通话平均电流)

      红色曲线就是那块使用过的电池的表现.

      对于这块使用过的电芯,可以得到如下几个结论

     -- 电池的真实容量(对应放电到2.75V的容量)仍然满足要求, 达930多mAh.国标要求能达到标称的70%就还算合格. 与其同初始容量(蓝色曲线)相比, 真实容量降低了将近100mAh(10%左右)

     -- 电池的放电平台明显降低.随之带来电量显示的不准.

     -- 电池的实际可用容量大大的降低. 以3.3V截止电压进行评估(此电压一般是手机通话状态的强行关机电压),新电芯有超过950mAh的可用容量, 而旧电池仅700多mAh.剩下的200多mAh(20%多)的容量就无法利用起来了.

3. 手机电池电量格数的定义

一般手机设计待机电量时, 比如有4格5档(4-3-2-1-0)的电量指示.

　　设计者不会把我上面提到的新电池的电压对容量关系进行均分,取75%-50%-25%-0%这样进行电压划分. 因为要考虑到电池使用一段时间(比如1年)后, 其放电平台会降低,上述的比例肯定会失调.

　　所以厂家会考虑一点点这方面的余量.以新电池的60%-40%-20%-5%这样的比例进行设计.即

　　4.20V~3.90V满格

　　3.90V~3.80V三格

　　3.80V~3.72V两格

　　3.72V~3.65V一格

　　3.65以下，低电压告警。

      虽然在使用新电池时, 第一格会待机比较长的时间, 最后一格待机比较短. 但是当这个电池使用个一年半载后, 其容量分布就比较接近均分的情况.

以上数据仅供参考, 并不代表哪家的手机设计.

目前人们主要使用两种监测方法：
（1）电流积分(current integration)为基础；
前者依据一种稳健的思想，即如果对所有电池的充、放电流进行积分，就可以得出剩余电量的大小。当电池刚充好电并且已知是完全充电时，使用电流积分方法效果非常好。这种方法被成功地运用于当今众多的电池电量监测过程中。   
   但是该方法有其自身的弱点，特别是在电池长期不工作的使用模式下。如果电池在充电后几天都未使用，或者几个充、放电周期都没有充满电，那么由内部化学反应引起的自放电现象就会变得非常明显。目前尚无方法可以测量自放电，所以必须使用一个预定义的方程式对其进行校正。不同的电池模型有不同的自放电速度，这取决于充电状(SOC)、温度以及电池的充放电循环历史等因素。创建自放电的精确模型需要花费相当长的时间进行数据搜集，即便这样仍不能保证结果的准确性。 该方法还存在另外一个问题，那就是只有在完全充电后立即完全放电，才能够更新总电量值。如果在电池寿命期内进行完全放电的次数很少，那么在电量监测计更新实际电量值以前，电池的真实容量可能已经开始大幅下降。这会导致监测计在这些周期内对可用电量做出过高估计。即使电池电量在给定温度和放电速度下进行了最新的更新，可用电量仍然会随放电速度以及温度的改变而发生变化。        
（2）以电压测量为基础。
以电压为基础的方法属于最早应用的方法之一，它仅需测量电池两级间的电压。该方法基于电池电压和剩余电量之间存在的某种已知关系。它看似直接，但却存在难点：在测量期间，只有在不施加任何负载的情况下，才存在这种电池电压与电量之间的简单关联。当施加负载时(这种情况发生在用户对电量感兴趣的多数情况下)，电池电压就会因为电池内部阻抗所引起的压降而产生失真。此外，即使去掉了负载，发生在电池内部的张持过程(relaxation processe)也会在数小时内造成电压的连续变化，实际的充电过程中，温度、放电速率以及电池老化等众多因素都会影响充电状态。