如何测量充电状态

如何测量充电状态

探索 SoC 测量及其不准确的原因。

电压法

通过电压测量充电状态很简单，但可能不准确，因为电池材料和温度会影响电压。基于电压的 SoC 最明显的错误发生在干扰电池充电或放电时。由此产生的扰动使电压失真，它不再代表正确的 SoC 参考。为获得准确的读数，电池需要在开路状态下静置至少四个小时；电池制造商建议铅酸电池使用 24 小时。这使得基于电压的 SoC 方法对于现役电池不切实际。

每种电池化学成分都有其独特的放电特征。虽然基于电压的 SoC 对于静止的铅酸电池工作得相当好，但镍基和锂基电池平坦的放电曲线使得电压法不可行。

锂锰、磷酸锂和 NMC 的放电电压曲线非常平坦，80% 的存储能量保持在平坦的电压曲线中。虽然这种特性作为一种能源是可取的，但它对基于电压的电量计提出了挑战，因为它仅指示充满电和低电量；重要的中间部分无法准确估计。图 1 揭示了磷酸锂 (LiFePO) 电池的平坦电压曲线。

图 1：磷酸铁锂的放电电压。
磷酸锂具有非常平坦的放电曲线，使得用于 SoC 估计的电压估计变得困难。

铅酸具有不同的极板成分，在通过电压测量 SoC 时必须考虑这些成分。 钙是一种使电池免维护的添加剂，可将电压提高 5-8%。此外，热会升高电压，而冷会导致电压降低。 表面充电 通过在充电后立即显示升高的电压进一步愚弄 SoC 估计；测量前的短暂放电可以抵消误差。最后，  AGM 电池 产生的电压略高于被淹没的等效电池。

当通过开路电压 (OCV) 测量 SoC 时，电池电压必须在没有负载的情况下“浮动”。现代车辆并非如此。用于管理功能的寄生负载将电池置于准闭路电压 (CCV) 状态。

尽管不准确，但由于简单性，大多数 SoC 测量部分或完全依赖于电压。基于电压的 SoC 在轮椅、踏板车和高尔夫球车中很受欢迎。一些创新的 BMS（电池管理系统）使用休息时间来调整 SoC 读数，作为“学习”功能的一部分。图 2 说明了 12V 铅酸单体从完全放电到完全充电的电压带。

图 2：12V 铅酸单体从完全放电到完全充电的电压带。资料来源：Power-Sonic

比重计

比重计提供了一种替代方法来测量富液式铅酸电池的 SoC。它是这样工作的：当铅酸电池接受充电时，硫酸变得更重，导致比重 (SG) 增加。随着 SoC 通过放电降低，硫酸从电解液中自行去除并结合到极板上，形成硫酸铅。电解液的密度变轻，更像水，比重变低。表 2 提供了启动器电池的 BCI 读数。

近似 充电状态	平均 比重	开路电压
		2V	6V	8V	12V
100%	1.265	2.10	6.32	8.43	12.65
75%	1.225	2.08	6.22	8.30	12.45
50%	1.190	2.04	6.12	8.16	12.24
25%	1.155	2.01	6.03	8.04	12.06
0%	1.120	1.98	5.95	7.72	11.89

表 2：用于估算含锑启动电池 SoC 的 BCI 标准。
休息 24 小时后，在 26°C (78°F) 下读取读数。

虽然 BCI（国际电池委员会）规定充满电的启动电池的比重为 1.265，但电池制造商可能会选择 1.280 或更高。增加比重将使查找表中的 SoC 读数向上移动。较高的 SG 会提高电池性能，但会因腐蚀活动增加而缩短电池寿命。

除了电荷水平和酸密度，低液位也会改变 SG。当水蒸发时，SG 读数会因浓度升高而升高。电池也可能装得太满，从而降低了数量。加水时，在进行 SG 测量之前留出时间进行混合。

比重随电池应用而变化。深循环电池使用致密电解质，SG高达1.330，以获得最大的比能量；航空电池的SG约为1.285；叉车的牵引电池通常为 1.280；启动电池为 1.265；固定式电池的比重较低，为 1.225。这减少了腐蚀并延长了寿命，但它降低了比能或容量。

电池世界中没有什么是绝对的。同型号充满电的深循环电池比重可在1.270-1.305之间；完全放电后，这些电池可能会在 1.097 和 1.201 之间变化。温度是另一个改变比重读数的变量。温度下降得越冷，SG 值就越高（密度越大）。表 3 说明了深循环电池在不同温度下的 SG 比重。

电解液温度		充满电的重力	表 3：深循环电池比重与温度的关系。 较冷的温度提供较高的比重读数。
40℃	华氏 104°	1.266
30℃	华氏 86 度	1.273
20℃	68华氏度	1.280
10℃	华氏 50 度	1.287
0℃	华氏 32 度	1.294

如果电池分层，也可能会出现 SG 读数不准确的情况，这意味着顶部浓度低，底部浓度高。（参见 BU-804c：失水、酸分层和表面电荷。）。高酸浓度人为地提高了开路电压，这可以通过错误的 SG 和电压指示来欺骗 SoC 估计。在读取 SG 读数之前，电解液需要在充电和放电后稳定下来。

库仑计数

笔记本电脑、医疗设备和其他专业便携式设备使用库仑计数通过测量流入和流出的电流来估算 SoC。安培秒 (As) 用于充电和放电。“库仑”这个名字是为了纪念以发展库仑定律而闻名的查尔斯-奥古斯丁·库仑 (1736–1806)。（参见 BU-601：智能电池如何工作？）

虽然这是解决具有挑战性问题的优雅解决方案，但损耗会减少传递的总能量，最后可用的能量总是少于输入的能量。尽管如此，库仑计数效果很好，尤其是锂离子电池提供高 库仑效率 和低自放电。通过考虑老化和基于温度的自放电进行了改进，但仍建议定期校准以使“数字电池”与“化学电池”协调一致。（参见 BU-603：如何校准“智能”电池）

为了克服校准问题，现代电量计使用“学习”功能来估计电池在前一次放电时释放了多少能量。一些系统还会观察充电时间，因为褪色的电池比好的电池充电更快。

高级 BMS 的制造商声称其精度很高，但现实生活往往并非如此。许多虚构的东西都隐藏在花哨的读数后面。当电池仅充电 90% 时，智能手机可能会显示 100% 的电量。设计工程师表示，新电动汽车电池的 SoC 读数可能会降低 15%。据报道，电动汽车司机在电量耗尽时燃油表上仍显示 25% 的 SoC 读数。

阻抗谱

还可以使用 Spectro™ 复杂建模方法通过阻抗谱估计电池充电状态。这允许在 30A 的稳定寄生负载下获取 SoC 读数。电压极化和表面电荷不影响读数，因为 SoC 的测量与电压无关。这开启了在汽车制造中的应用，其中一些电池在测试和调试期间比其他电池放电时间更长，并且需要在运输前充电。通过阻抗谱测量 SoC 也可用于电池连续充电和放电的负载均衡系统。

独立于电压测量 SoC 也支持码头到达和陈列室。打开车门会施加约 20A 的寄生负载，该负载会扰动电池并使基于电压的 SoC 测量结果出错。Spectro™ 方法有助于从真正有缺陷的电池中识别出电量低的电池。

通过阻抗谱进行的 SoC 测量仅限于具有已知良好容量的新电池；容量必须确定并具有不变的值。虽然在稳定负载下可以读取 SoC 读数，但电池在测试期间不能充电。

图 4 显示了从电池中移除 50A 寄生负载后阻抗谱的测试结果。正如预期的那样，作为恢复的一部分，开路端电压升高，但 Spectro™ 读数保持稳定。在电压归一化为极化的一部分期间移除电荷后，也观察到稳定的 SoC 结果。
 

判断方法：

一、通过实际记录手机充电时间。根据使用经验来讲，如果在0~10%的电量时开始充电，经过半小时左右时间手机电量可以基本恢复到60%左右的，基本可以判断设备是快充。

二、设备使用充电接口直流输入电压为5V±5%，最大吸收电流为1800mA。只要适配器的输出突破这一条件，就是快充。