DA1469x 电量计算法解析：电池SoC估算与充电过程详解

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，用户通常希望随时了解电池中还剩多少能量，以便预估何时需要充电。这个“剩余能量百分比”就是电量状态（State of Charge，SoC）。

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 变化过程。

图 1：不同 SoC 下的锂离子电池

精确估算电池 SoC，有助于让用户知道应用还能继续工作多久才需要充电。从安全角度看，SoC 还能确保电池在达到 100% 后不会继续过充。满电电池的 SoC 为 100%，空电电池对应 0%。SoC 也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 算法已经考虑到这一点。SoC 测量还有助于选择合适的充放电曲线，从而延长电池寿命。

SoC 与电池端电压，也就是开路电压 OCV，成正比关系。SoC 会随着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 与电池电压以及负载/放电电流都有关系。图中施加的负载/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。也就是说，额定容量为 200mAh 的满电电池，应能以 200mA 放电一小时。同一块电池以 0.5C 放电时，可提供 100mA 两小时；以 2C 放电时，则可提供 400mA 三十分钟。

放电电流越大，SoC 和电压下降得越快。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各自的充放电特性。为了让算法提供更准确的 SoC 估算，通常需要对电池进行特性化，也就是 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。总容量可以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，因此存储或消耗的电荷为 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，就可以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，足以计算出当前时刻的容量 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 的线性插值关系可以图示为图 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，电池的当前容量可以根据充放电电荷量、SoC 和开路电压求得。

如前所述，为了准确估算 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。电池特性化首先要把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%，并记录该 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。这些查找表会被插入到 DA1469x SoC 软件中。SoC 软件可以添加到客户应用中，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，温度影响会更加明显。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，电池容量会显著降低。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。根据实际需求，电池管理系统 的 SoC 软件需要考虑温度补偿，尤其是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，且工作温度大于 5°C 并小于 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

其中 llut 包含电池以极低电流放电时测得的电压；hlut 包含电池以高电流放电时测得的电压；clut 包含电池充电时测得的电压。

注意：

查找表中的数值需要在客户实际应用中对电池进行测量获得。

图 5 是在固定温度 25°C 下，高、低负载电流对应的 21 步 OCV 查找表示例：

图 5：高、低负载电流下的查找表

其对应的常量数组示例如下：

const int16_t socf_lluts[SOCF_TEMP_NUM][VOL2SOC_LUT_SIZE] = {
    { 3233, 3545, 3630, 3645, 3670, 3686, 3704, 3722, 3744, 3765, 3786, 3810, 3839, 3876, 3900, 3972, 4025, 4075, 4130, 4185, 4290 }, //low discharging at 25 ℃
};

const int16_t socf_hluts[SOCF_TEMP_NUM][VOL2SOC_LUT_SIZE] = {
    { 3213, 3525, 3610, 3625, 3650, 3666, 3684, 3702, 3724, 3745, 3766, 3790, 3819, 3856, 3880, 3952, 4001, 4052, 4106, 4160, 4290 }, //high discharging at 25 ℃
};

三、锂离子电池充电过程

图 6：锂离子电池充电阶段

图 6 展示了锂离子电池的充电过程，包括电池电压、充电电流和充电过程各阶段的特性。电池充电过程包括三个步骤：预充电、恒流充电和恒压充电。

3.1 充电阶段

3.1.1 阶段一：预充电

当电池处于空电状态，也就是电池电压低于截止电压时，必须以低电流充电，使电池电压上升到截止电压以上，这个过程称为预充电。此阶段的充电电流称为预充电电流（IPRECHG），通常小于或等于 0.1C。阶段一对应预充电。

3.1.2 阶段二：恒流充电

当电池电压上升到 VPRECHG 阈值后，就可以流入规定的最大充电电流。建议将充电电流设置为电池容量的 50% 至 70%。这一阶段称为恒流充电阶段。为了延长电池寿命，建议选择较低的充电电流，因此从电池寿命角度考虑，50% 是较好的选择。但充电电流越高，充电速度也会越快。

3.1.3 阶段三：恒压充电

当电池电压上升到设定的调节电压后，充电过程进入恒压充电阶段。此阶段充电电流逐渐减小，直到电流等于电池容量的 10%，之后充电过程停止，电池视为充满。锂离子电池的典型调节电压为 4.2V。

从整个充电过程可以看出，SoC 估算不仅依赖开路电压与放电倍率的关系，还需要结合预充电、恒流、恒压三个阶段的电流与电压变化进行判断。对于可穿戴设备这类由 DA1469x SoC 驱动的低功耗系统，新能源汽车 BMS 开发工程师课程 中涉及的电池建模与状态估计思路，也可以为嵌入式电量计设计提供更系统的参考。