通过使性能透明化，消除“黑箱”污名

电池用户可能会将电池组想象成一种类似于燃油箱的储能设备，用于分配液体燃料。为了简化理解，电池确实可以被视为储存电能的容器；然而，测量流入电化学装置的能量并再次将其取出的过程，要比处理液体燃料复杂得多。虽然液压燃油表可以测量进出已知容量油箱的液体，但电池燃油表读取的是电流单位电池容量以安时（Ah）为单位，而电池荷电状态（SoC）和健康状态（SoH）估算之所以具有挑战性，是因为电池处于非稳态；电池在每次充电后都会损失容量，并以自放电的形式流失能量。

新电池的额定容量应为100%；通常在容量降至80%时需要更换。标准的电量指示器仅显示荷电状态（SoC），而不显示容量。即使容量已衰减至50%，仅能提供一半的续航时间，充满电时电量指示器仍会显示满格。

估算电池荷电状态（SoC）通常采用库仑计数法。这一理论可追溯至250年前，当时查尔斯-奥古斯丁·库仑首次确立了“库仑定律”。它以电荷量为单位，其中1库仑（1C）等于1安培（1A）持续1秒。图2展示了代表库仑计数的电流流入与流出原理。

库仑计数法理论上应完美无缺，但在实际追踪中会出现误差。例如，若电池以1安培的电流充电1小时，理论上放电时应能释放出等量的能量。然而，没有电池能做到这一点。充电接受效率低下，尤其是在充电末期，尤其是快速充电时，会降低能量效率。存储和放电过程中也会产生损耗。因此，电池可释放的能量总是小于输入的能量。

库仑计数成为电池管理系统（BMS）的一部分，该系统还协助控制手机和笔记本电脑的电池。此外，电池管理系统会监控电池电压和电流，以确保安全并延长电池寿命。

新设备的用户往往倾向于相信花哨的电量指示图形。这可能会产生一种虚假的安全感，但当设备老化后，每次充电的续航时间逐渐缩短，这种信任便会破灭。对于手机或笔记本电脑的普通用户而言，电量指示误差仅是轻微的不便。但对于医疗和军事设备，以及依赖精确续航预测的无人机和电动汽车驱动系统来说，这个问题会变得非常严重。

为了保持电量计的准确性，智能电池应定期进行校准，即放电直至设备上出现“低电量”符号。这可以在设备中完成。一个完整的充放电循环会设置图3所示的相应标志。在这两个锚点之间形成一条直线，以便在一段时间内进行相对准确的荷电状态（SoC）估算。

电池应多久校准一次？这取决于具体应用。持续使用的电池应每3个月或在完成40次部分充放电循环后进行校准。如果设备会定期进行完全深度放电，则无需校准。苹果iPad的用户手册中写道：“为了正确显示荷电状态（SoC），请确保每月至少进行一次完整的充放电循环。”

如果电池没有定期校准会发生什么？这样的电池能放心使用吗？电池应能正常工作，且不存在安全问题，但数字荷电状态读数会变得不可靠。

在设计电池管理系统（BMS）时，工程师常犯的一个错误是假设电池会永远保持年轻。就像我们人类一样，电池会老化，这表现为容量损失。荷电状态仪表在每次充电后总会显示闪亮的100%。容量则被方便地隐藏起来，不向用户显示。

存在多种估算电池健康状态（SoH）的方法，且正在不断发展中。本文介绍了五种技术。它们是：

1. 库仑计数作为手机和笔记本电脑中集成电池系统的一部分

2. 读取SMBus电池中的FCC寄存器*

3. 添加读取并充电(RAC)到充电器中

4. 通过拍摄“化学电池”的快照进行快速检测

5. 传统的完整周期。

* SMBus 代表系统管理总线，是便携式电池应用中最常见的“智能电池系统”之一。其他系统也提供类似的功能。

1. 库仑计数法

部分手机和笔记本电脑配备了估算健康状态（SoH）的软件。这通常是通过库仑计数法实现的，但熟悉此类系统的维修技术人员表示，其读数并不可靠。部分原因在于运行不同应用程序时，放电电流的测量存在不准确。负载是脉冲式的，并非所有手机都支持电流测量。这使得在这些情况下无法使用容量检测应用。

库仑计数法也被用于估算电动自行车的容量。尽管监控严格，但健康状态读数并不会向用户显示。出于匿名性考虑，只有授权人员才能通过安全码访问。设备制造商担心显示低于100%的容量会引发过多的消费者投诉，尤其是在保修期内。这种保密性通常仅适用于消费类产品；工业应用则有所不同。

便携设备的电量通常以百分比或剩余使用时间（分钟）显示；电动汽车则以公里或英里数的续航里程来表示。与车辆油箱的燃油量可以精确换算为安时（Ah）不同，电池无法做到这一点。随着电池老化，其能容纳的安时数会逐渐减少。抛开消费者顾虑不谈，了解电池容量的好处在于能将安时数与使用时间联系起来，并通过容量这一主要电池健康指标来预测电池更换时机。

2. 读取SMBus电池中的FCC寄存器

充电器正在升级，并将很快提供电池健康状态（SoH）读数。随着行业转向使用SMBus电池，存储在电池中的满电容量（FCC）可以通过电池在使用过程中累积的库仑计数来解读健康状态。这使得只需将电池插入充电器即可检查健康状态。SMBus电池的另一个优势是提供数字序列号，这将能够将电池的历史性能信息存储在数据库中。

如果此类充电器中的FCC读数高于用户设定的合格/不合格阈值，则电池通过测试；如果低于阈值，则需要进行校准。校准会执行一次完整的充放电循环，以重置标志位并确定“化学电池”的真实容量。如果容量高于目标值，则电池通过测试且FCC读数得到修正；如果结果低于标准线，则需要更换电池。数字FCC外设通常低于实际电池容量，这可以防止出现假阳性结果。图3以图形方式展示了这一概念。Cadex正在开发一系列充电器，该系列将包含此功能，其名称为通用诊断充电器（UDC）系列。

3. 读取与充电（RAC）

正在开发中的UDC充电器将具备边读取边充电(RAC)诊断技术，用于在无FCC情况下估算电池容量。基于RAC的充电器只需对每种电池型号进行一次校准；循环测试一块良好电池即可获取该参数，并存储于充电器或电池适配器中。

RAC充电器能够估算普通（非智能）电池的荷电状态（SoC）和容量。测试表明，RAC的精度优于通过SMBus电池的FCC捕获所能达到的精度。RAC可验证电池性能并进行质量控制，无需额外的物流操作。服务结束时亮起的绿色“就绪”灯表示电池已完全充满，并达到所需的容量阈值。性能衰退的电池会被识别出来并提示更换。

4. 快速检测

快速检测能在几秒或几分钟内对化学电池进行快照。电化学动态响应采用脉冲技术；而更复杂的多模型电化学阻抗谱（Spectro™）则使用多种频率扫描电池。快速检测的优势在于无需智能功能即可实时检测多种电池，但这需要复杂的软硬件支持，且依赖于特定电池的参数和矩阵。

需要注意的是，电池容量无法像电压、电流和温度那样进行测量。虽然可以根据电池的状况来估算其健康状态（SoH），但若症状模糊或不存在，则无法进行可靠的测量。

许多电池检测设备制造商声称可以通过测量电池内阻来估算容量。这种说法具有误导性，宣传超出设备能力的功能会让行业误以为可以用简单的方法进行复杂的测试。基于电阻的仪器确实可以识别即将失效或已失效的电池——用户也能做到这一点。电池检测仪往往被过度夸大，这与宣传能为秃头男性长出浓密头发的洗发水如出一辙。

5. 完整循环

此方法通过完整的充放电循环来读取化学电池的容量。以恒定放电电流放电所需的时间决定了电池容量。尽管这种方法准确且能校准智能电池，但完整循环耗时较长，且并不总是实用，尤其是在检查手机电池时。

哲学与结论

许多设备制造商并未提供充分的电池维护指南，用户对电池性能以及何时更换老化电池也缺乏了解。当设备交付给用户时，往往会出现“甩手不管”的情况，仿佛在说：“你自己看着办吧——祝你电池好运。”

如果不改进诊断技术，开发更好的电池是不完整的。只有精心设计的诊断系统能够监测电池的功能状态（SoF），才能将电池转变为一种可靠、安全、经济高效且环保的电源。现代电池将与系统和用户进行交互，表达其需求，声明其能提供的性能，并确立明确的限制。