1 充電狀態(tài)（State-Of-；SOC）
充電狀態(tài)可以定義為電池中可用電能的狀態(tài)，通常以百分比表示。 由于可用的電能會因充放電電流、溫度和老化現象而變化，因此荷電狀態(tài)的定義也分為兩種：絕對荷電狀態(tài)和相對荷電狀態(tài)。
通常相對荷電狀態(tài)的范圍是0%到100%，而電池充滿電時為100%，完全放電時為0%。 絕對荷電狀態(tài)是根據電池制造時設計的固定容量值計算出的參考值。 新的充滿電的電池的絕對充電狀態(tài)是100%； 而老化的電池，即使充滿電，在不同的充放電條件下也無法達到100%。
下圖顯示了不同放電倍率下電壓與電池容量的關系。 放電倍率越高，電池容量越低。 當溫度較低時，電池容量也會下降。
圖1 不同放電倍率和溫度下電壓與容量的關系
2 最大充電電壓（Max）
最大充電電壓與電池的化學成分和特性有關。 鋰電池的充電電壓通常為4.2V和4.35V，如果正極和負極材料不同，電壓值也會不同。
3 充滿電
當電池電壓與最大充電電壓之差小于100mV，且充電電流減小至C/10時，可認為電池已充滿。 完全充電條件根據電池特性而變化。
下圖為典型的鋰電池充電特性曲線。 當電池電壓等于最大充電電壓并且充電電流減小到C/10時，電池被認為充滿。
圖2 鋰電池充電特性曲線
4 最小放電電壓（Mini）
最小放電電壓可以通過截止放電電壓來定義，通常是充電狀態(tài)為0%時的電壓。 這個電壓值不是一個固定值，而是隨著負載、溫度、老化或其他因素的變化而變化。
5 完全放電
當電池電壓小于或等于最低放電電壓時，可稱為完全放電。
6 充放電倍率（C-Rate）
充放電倍率是充放電電流相對于電池容量的表示。 例如，如果使用1C放電一小時，理想情況下，電池將完全放電。 不同的充電和放電速率將導致不同的可用容量。 一般來說，充放電倍率越大，可用容量越小。
7 循環(huán)壽命
循環(huán)次數是電池經歷完全充電和放電的次數，可以根據實際放電容量和設計容量??來估算。 當累計放電容量等于設計容量時，循環(huán)次數為1次。 通常經過500次充放電循環(huán)后，充滿電的電池容量會下降約10%至20%。
圖3 循環(huán)次數與電池容量的關系
8 自放電（Self-）
所有電池的自放電都會隨著溫度升高而增加。 自放電基本上不是制造缺陷，而是電池本身的特性。 然而，制造過程中處理不當也會導致自放電增加。 一般來說，電池溫度每升高10°C，自放電率就會增加一倍。 鋰離子電池的自放電量約為每月1~2%，而各種鎳基電池的自放電量為每月10~15%。
圖4 不同溫度下鋰電池自放電率表現
2.電池電量計簡介
1 電量計功能介紹
電池管理可以被視為電源管理的一部分。 在電池管理中，電量計負責估算電池容量。 其基本功能是監(jiān)測電壓、充放電電流和電池溫度，并估計電池荷電狀態(tài)（SOC）和電池滿充電容量（FCC）。 估算電池充電狀態(tài)有兩種典型方法：開路電壓 (OCV) 和庫侖測量法。 另一種方法是通過動態(tài)電壓算法設計的。
2 開路電壓法
采用開路電壓法實現電量計比較容易，可以通過查找荷電狀態(tài)表對應的開路電壓來獲得。 開路電壓的假設是電池靜置約30分鐘時的電池端電壓。
在不同的負載、溫度和電池老化條件下，電池電壓曲線也會不同。 因此，固定開路電壓表不能完全代表充電狀態(tài)； 僅通過查表無法估計充電狀態(tài)。 也就是說，如果僅通過查表來估算荷電狀態(tài)，誤差會很大。
下圖顯示，相同電池電壓充放電時，開路電壓法檢測到的荷電狀態(tài)差異很大。
圖5 充放電時電池電壓
從下圖可以看出，放電時不同負載下荷電狀態(tài)變化很大。 所以基本上，開路電壓法只適用于對荷電狀態(tài)精度要求不高的系統(tǒng)，例如使用鉛酸電池或不間斷電源的汽車。
圖6 放電時不同負載下的電池電壓
3 庫侖測量方法
庫侖計量的工作原理是在電池的充電/放電路徑中連接一個檢測電阻。 ADC 測量檢測電阻上的電壓并將其轉換為正在充電或放電的電池的電流值。 實時計數器 (RTC) 將電流值與時間相結合，以了解有多少庫侖正在流動。
圖7 庫侖測量法的基本工作方法
庫侖法可準確計算充電或放電過程中的實時荷電狀態(tài)。 通過充電庫侖計和放電庫侖計，可以計算出剩余容量（RM）和滿充電容量（FCC）。 同時，還可以利用剩余容量（RM）和充滿電容量（FCC）來計算荷電狀態(tài)，即（SOC=RM/FCC）。 此外，它還可以估計剩余時間，例如電池何時耗盡（TTE）和電池何時充滿電（TTF）。
圖8 庫侖測量法計算公式
造成庫侖測量方法精度偏差的因素主要有兩個。 第一個是電流感測和 ADC 測量中偏移誤差的累積。 雖然以目前的技術來看測量誤差相對較小，但如果沒有好的方法消除它，隨著時間的推移，誤差會越來越大。 下圖顯示，在實際應用中，如果隨著時間的推移不進行修正，則累積誤差沒有上限。
圖9 庫侖測量方法的累積誤差
為了消除累積誤差，電池正常運行時可以使用三個可能的時間點：充電結束（EOC）、放電結束（EOD）和休息（Relax）。 充電結束條件完成表明電池已充滿電并且充電狀態(tài)（SOC）應為100%。 放電結束狀態(tài)表示電池已完全放電，充電狀態(tài)（SOC）應為0%； 它可以是絕對電壓值或隨負載變化。 當達到靜止狀態(tài)時，電池既不充電也不放電，并長期保持這種狀態(tài)。 如果用戶想利用電池的靜止狀態(tài)來修正庫侖測量方法的誤差，此時必須使用開路電壓表。 下圖表明，上述條件下的充電狀態(tài)誤差是可以糾正的。
圖10 消除庫侖測量法累積誤差的條件
造成庫侖測量方法精度偏差的第二大因素是滿充電容量（FCC）誤差，即電池設計容量值與電池真實滿充電容量之間的差異。 滿充電容量（FCC）會受到溫度、老化、負載等因素的影響。 因此，滿充電容量的重新學習和補償方法對于庫倫測量方法來說非常關鍵。 下圖顯示了高估和低估滿充電容量時荷電狀態(tài)誤差的趨勢現象。
圖11 滿充電容量高估和低估時的誤差趨勢
4 動態(tài)電壓算法電量計
動態(tài)電壓算法電量計僅根據電池電壓計算鋰電池的充電狀態(tài)。 該方法根據電池電壓和電池開路電壓之間的差異來估計充電狀態(tài)的增量或減量。 動態(tài)電壓信息可以有效模擬鋰電池的行為并確定荷電狀態(tài)SOC（%），但該方法無法估計電池容量值（mAh）。
它是利用迭代算法計算每次增加或減少時的荷電狀態(tài)，根據電池電壓與開路電壓之間的動態(tài)差值來估計荷電狀態(tài)。 與庫侖電量計解決方案相比，動態(tài)電壓算法電量計不會隨時間和電流累積誤差。 由于電流傳感誤差和電池自放電，庫侖電量計經常會出現充電狀態(tài)估計不準確的情況。 即使電流感測誤差很小，庫侖計數器也會不斷累積誤差，并且只有在完全充電或完全放電時才能消除累積的誤差。
動態(tài)電壓算法電量計僅根據電壓信息估計電池的充電狀態(tài)； 由于不是根據電池的當前信息進行估計電荷量公式，因此不會累積誤差。 為了提高荷電狀態(tài)的準確度，動態(tài)電壓算法需要使用實際設備，根據滿充和滿放情況下的實際電池電壓曲線來調整優(yōu)化算法的參數。
圖12 動態(tài)電壓算法電量計性能及增益優(yōu)化
下面是動態(tài)電壓算法在不同放電倍率條件下的荷電狀態(tài)表現。 從圖中可以看出，其荷電狀態(tài)精度良好。 無論C/2、C/4、C/7和C/10放電條件如何電荷量公式，該方法的總體荷電狀態(tài)誤差均小于3%。
圖13 不同放電倍率條件下動態(tài)電壓算法的荷電狀態(tài)表現
下圖為電池短路充放電時荷電狀態(tài)的表現。 荷電狀態(tài)誤差仍然很小，最大誤差僅為3%。
圖14 電池短充、短放情況下動態(tài)電壓算法荷電狀態(tài)表現
與庫侖計量電量計通常由于電流傳感誤差和電池自放電而導致充電狀態(tài)不準確相比，動態(tài)電壓算法不會隨著時間和電流累積誤差，這是一個很大的優(yōu)勢。 由于沒有充放電電流的信息，動態(tài)電壓算法的短期精度較差，響應時間較慢。 此外，它無法估計完全充電容量。 然而，它在長期精度方面表現良好，因為電池電壓最終直接反映其充電狀態(tài)。
