電池充電狀態(tài)和運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控提升電池的使用效率與安全性

基于鋰離子 (Li-ion) 電池單元的電池組廣泛用于各種應(yīng)用，例如混合動(dòng)力汽車(chē) (HEV)、電動(dòng)汽車(chē) (EV)、可供日后使用的再生能源儲(chǔ)存，以及用于各種目的 (電網(wǎng)穩(wěn)定性、調(diào)峰和再生能源時(shí)移等) 的電網(wǎng)能源儲(chǔ)存。本文將為您介紹測(cè)量電池單元的充電狀態(tài) (SOC) 與運(yùn)行狀態(tài) (SOH) 的技術(shù)發(fā)展，以及 ADI 推出的相關(guān)解決方案。

精密估計(jì)電池SOC可以防止電池過(guò)度充電和放電

在電動(dòng)汽車(chē)與儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用中，測(cè)量電池單元的充電狀態(tài)（SOC）非常重要。SOC定義為可用容量（單位為Ah），以額定容量的百分比表示。SOC參數(shù)可看作一個(gè)熱力學(xué)量，利用它可評(píng)估電池的潛在電能。估計(jì)電池的運(yùn)行狀態(tài)（SOH）也很重要，SOH以新電池為比較標(biāo)準(zhǔn)，衡量電池儲(chǔ)存和輸送電能的能力。

不過(guò)，想要確定的電池SOC是一個(gè)很復(fù)雜的任務(wù)，這與電池類(lèi)型及其應(yīng)用有關(guān)，所以近年來(lái)開(kāi)展了許多旨在提高SOC估計(jì)精度的開(kāi)發(fā)和研究工作。精確估計(jì)SOC是電池管理系統(tǒng)的主要任務(wù)之一，其有助于改善系統(tǒng)性能和可靠性，并且還能延長(zhǎng)電池壽命。

事實(shí)上，精密估計(jì)電池SOC可以避免意料之外的系統(tǒng)中斷，防止電池過(guò)度充電和放電（這可能導(dǎo)致電池永久損壞，具體取決于電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)）。然而，電池充電和放電涉及到復(fù)雜的化學(xué)和物理過(guò)程，在不同工作條件下精確估計(jì)SOC并不是輕而易舉的事。

測(cè)量SOC的一般方法是非常精確地測(cè)量所有工作條件下流入和流出電池組的電量（庫(kù)侖）和電流，以及電池組中各電池單元的電壓，然后利用此數(shù)據(jù)和先前加載的與被監(jiān)測(cè)電池完全相同的電池組數(shù)據(jù)，得出SOC的精確估計(jì)。這種計(jì)算需要的其他數(shù)據(jù)還包括電池溫度、電池模式（測(cè)量時(shí)電池是充電還是放電）、電池年齡，以及從電池制造商那里獲得的其他相關(guān)電池?cái)?shù)據(jù)。

有時(shí)候可以從制造商那里獲得關(guān)于鋰離子電池在不同工作條件下的性能特性數(shù)據(jù)。確定SOC之后，便由系統(tǒng)負(fù)責(zé)在后續(xù)運(yùn)行中更新SOC，基本上就是計(jì)數(shù)流入和流出電池的電量（庫(kù)侖）。如果初始SOC的精度不夠高，或者受其他因素影響，比如電池自放電和漏電效應(yīng)，那么這種方法的精度可能無(wú)法令人滿(mǎn)意。

鋰離子電池組的等效電路模型

評(píng)估平臺(tái)測(cè)量典型儲(chǔ)能模塊的SOC和SOH

為了測(cè)量典型儲(chǔ)能模塊的SOC和SOH，涉及到一個(gè)庫(kù)侖計(jì)數(shù)評(píng)估平臺(tái)的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)。評(píng)估平臺(tái)主要由以下部分構(gòu)成：硬件系統(tǒng)，包括MCU及所需的接口和外設(shè)，嵌入式軟件，可用于SOC和SOH算法實(shí)現(xiàn)，以及基于PC的應(yīng)用軟件，用作用戶(hù)界面以進(jìn)行系統(tǒng)配置、數(shù)據(jù)顯示和分析。

評(píng)估平臺(tái)通過(guò)適當(dāng)?shù)腁DC和傳感器周期性測(cè)量各電池單元的電壓值，以及電池組的電流和電壓，并且實(shí)時(shí)運(yùn)行SOC估計(jì)算法。此算法會(huì)使用測(cè)得的電壓和電流值、溫度傳感器收集到的和／或PC軟件程序提供的一些其他數(shù)據(jù)（例如來(lái)自數(shù)據(jù)庫(kù)的制造商規(guī)格）。SOC估計(jì)算法的輸出會(huì)被送到PC圖形用戶(hù)界面，以供動(dòng)態(tài)顯示和數(shù)據(jù)庫(kù)更新。SOC和SOH估計(jì)主要使用三種方法，包括庫(kù)侖計(jì)數(shù)法、電壓法和卡爾曼濾波器法。這些方法適用于所有電池系統(tǒng)，尤其是混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)（HEV）、電動(dòng)汽車(chē)（EV）和光伏（PV）應(yīng)用。

庫(kù)侖計(jì)數(shù)法也稱(chēng)為安培時(shí)計(jì)數(shù)和電流積分法，是計(jì)算SOC最常用的技術(shù)。這種方法通過(guò)電池電流讀數(shù)對(duì)使用時(shí)間的積分來(lái)計(jì)算SOC值。庫(kù)侖計(jì)數(shù)法通過(guò)累計(jì)傳入或傳出電池的電荷來(lái)計(jì)算剩余容量。這種方法的精度主要取決于對(duì)電池電流的精密測(cè)量和對(duì)初始SOC的精確估計(jì)。利用一個(gè)預(yù)知容量（可以是存儲(chǔ)器記憶的或通過(guò)工作條件初始估計(jì)的），電池的SOC可以通過(guò)充電和放電電流對(duì)運(yùn)行時(shí)間的積分來(lái)計(jì)算。

電壓法則是通過(guò)電池的SOC（即其剩余容量）可利用受控條件下的放電測(cè)試來(lái)確定。電壓法利用電池的已知放電曲線(xiàn)（電壓與SOC的關(guān)系）將電池電壓讀數(shù)轉(zhuǎn)換為等效SOC值。然而，由于電池的電化學(xué)動(dòng)力學(xué)和溫度，電池電流對(duì)電壓的影響更嚴(yán)重。利用一個(gè)與電池電流成比例的校正項(xiàng)來(lái)補(bǔ)償電壓讀數(shù)，并使用電池開(kāi)路電壓（OCV）與溫度的查找表，可以使這種方法更準(zhǔn)確。

卡爾曼濾波器則是一種可估計(jì)任何動(dòng)態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)的算法，也可用來(lái)估計(jì)電池SOC。與其他估計(jì)方法相比，卡爾曼濾波器可自動(dòng)提供關(guān)于自身狀態(tài)估計(jì)的動(dòng)態(tài)誤差界。通過(guò)電池系統(tǒng)建模以將所需的未知量（如SOC）包含在其狀態(tài)描述中，卡爾曼濾波器估計(jì)其值并給出估計(jì)的誤差界。然后，它便成為一個(gè)基于模型的狀態(tài)估計(jì)技術(shù)，利用誤差校正機(jī)制來(lái)提供對(duì)SOC的實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)。

卡爾曼濾波器原理

選擇合適的SOC和SOH估計(jì)方法

選擇合適的SOC估計(jì)方法時(shí)，應(yīng)考慮多項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)。首先，SOC和SOH估計(jì)技術(shù)應(yīng)可用于HEV和EV應(yīng)用、可供日后使用的再生能源儲(chǔ)存、電網(wǎng)能源儲(chǔ)存所用的鋰離子電池。此外關(guān)鍵的一點(diǎn)是，所選方法應(yīng)當(dāng)是計(jì)算復(fù)雜度低、精度高（估計(jì)誤差低）的在線(xiàn)式實(shí)時(shí)技術(shù)。另外還要求估計(jì)方法使用電壓、電流測(cè)量值，以及溫度傳感器收集到的和／或PC軟件程序提供的其他數(shù)據(jù)。

為了克服庫(kù)侖計(jì)數(shù)法的缺點(diǎn)并提高其估計(jì)精度，有人已提出一種增強(qiáng)型庫(kù)侖計(jì)數(shù)算法來(lái)估計(jì)鋰離子電池的SOC和SOH參數(shù)。初始SOC從加載的電壓（充電和放電）或開(kāi)路電壓獲得。損耗通過(guò)考慮充電和放電效率來(lái)補(bǔ)償。通過(guò)對(duì)工作電池的最大可釋放容量進(jìn)行動(dòng)態(tài)再校準(zhǔn)，電池的SOH也可以同時(shí)估算出來(lái)，這又會(huì)進(jìn)一步提高SOC估計(jì)的精度。

電池有三種工作模式：充電、放電和開(kāi)路。在充電階段，當(dāng)電池以恒流恒壓（CC-CV）模式充電時(shí)，制造商通常會(huì)說(shuō)明電池電壓和電流的變化。充電電流恒定時(shí)，電池電壓逐漸提高，直至達(dá)到閾值。一旦電池以恒壓模式充電，充電電流一開(kāi)始會(huì)迅速降低，然后緩慢減小。最后，當(dāng)電池完全充滿(mǎn)時(shí)，充電電流趨于0。這一充電曲線(xiàn)在恒流階段可轉(zhuǎn)換為SOC與充電電壓的關(guān)系，在恒壓階段可轉(zhuǎn)換為SOC與充電電流的關(guān)系，充電期間的初始SOC可從這些關(guān)系推算出來(lái)。

在放電階段，電池以不同電流放電時(shí)的典型電壓曲線(xiàn)由制造商給出。隨著工作時(shí)間的流逝，終端電壓會(huì)降低。電流越大，終端電壓下降得越快，故而工作時(shí)間越短。這樣便可獲得不同電流下SOC與放電電壓的關(guān)系，進(jìn)而推知放電階段的初始SOC。

開(kāi)路階段需要OCV與SOC之間的關(guān)系。在斷開(kāi)負(fù)載之前，電池以不同電流放電。如果休息時(shí)間很長(zhǎng)，可以利用OCV來(lái)估計(jì)SOC。電池的工作效率可通過(guò)庫(kù)侖效率來(lái)評(píng)估，庫(kù)侖效率定義為放電期間可從電池獲取的電荷數(shù)與充電期間進(jìn)入電池的電荷數(shù)之比。

有線(xiàn)電池管理系統(tǒng)（BMS）

多樣解決方案滿(mǎn)足電池監(jiān)控需求

為了解決各種電池監(jiān)控上的問(wèn)題，ADI也推出多款產(chǎn)品解決方案，包括ADBMS6815這款多單元電池堆監(jiān)控器，可測(cè)量多達(dá)12個(gè)串聯(lián)電池單元，總測(cè)量誤差（TME）小于1.5 mV。ADBMS6815具有0 V至5 V的電池測(cè)量范圍，適合大多數(shù)電池化學(xué)應(yīng)用。可在304 μs內(nèi)測(cè)量所有12個(gè)電池單元，并選擇較低的數(shù)據(jù)采集速率以便降噪。

此外，還可將多個(gè)ADBMS6815器件串聯(lián)，以便同時(shí)監(jiān)測(cè)很長(zhǎng)的高壓電池串。每個(gè)ADBMS6815都有一個(gè)isoSPI?接口，用于進(jìn)行不受射頻干擾的遠(yuǎn)距離高速通信。多個(gè)器件以菊花鏈形式連接，通過(guò)最頂端或底端的器件連接到主處理器。該菊花鏈可雙向操作，即使通信路徑出錯(cuò)，也能確保通信完整性。

電池堆可直接為ADBMS6815供電，也可采用隔離電源對(duì)其供電。ADBMS6815包括針對(duì)每個(gè)電池的無(wú)源平衡，可對(duì)每個(gè)單元進(jìn)行單獨(dú)的脈寬調(diào)制（PWM）占空比控制。其他特性包括一個(gè)板載5 V穩(wěn)壓器、七個(gè)通用的輸入／輸出（GPIO）線(xiàn)路和一種電流消耗可降低至5.5 μA的休眠模式。ADBMS6815WFS型號(hào)設(shè)計(jì)用于汽車(chē)安全完整性等級(jí)能力D (ASIL D)的ISO 26262應(yīng)用。

另一方面，ADI還推出LTC2949這款適用于電動(dòng)車(chē)輛和混合動(dòng)力車(chē)輛以及其他隔離式電流檢測(cè)應(yīng)用的高精度電流、電壓、溫度、電量監(jiān)控器。通過(guò)同時(shí)監(jiān)測(cè)多達(dá)兩個(gè)檢測(cè)電阻上的壓降和電池組電壓，它可以推斷出流入和流出電池組的電量和電能。

此外，ADI推出的isoSPI隔離式通信接口的LTC6820，可通過(guò)單個(gè)雙絞線(xiàn)連接在兩個(gè)隔離器件之間提供雙向SPI通信。每個(gè)LTC6820將邏輯狀態(tài)編碼為信號(hào)，并跨越一個(gè)隔離勢(shì)壘將信號(hào)傳送至另一個(gè)LTC6820。接收LTC6820對(duì)傳輸信號(hào)進(jìn)行解碼并把從總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)至適當(dāng)?shù)倪壿嫚顟B(tài)。隔離勢(shì)壘可利用一個(gè)簡(jiǎn)單的脈沖變壓器進(jìn)行橋接，以實(shí)現(xiàn)幾百伏的隔離度。

結(jié)語(yǔ)

無(wú)論是電動(dòng)汽車(chē)還是儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用，電池的運(yùn)作效率都是提升相關(guān)產(chǎn)品效能的重要關(guān)鍵，通過(guò)監(jiān)控電池的SoC與SoH狀態(tài)，將可確保電池以高效率與穩(wěn)定的方式運(yùn)行。ADI針對(duì)電池監(jiān)控應(yīng)用推出的相關(guān)解決方案，將可提升電池運(yùn)作的效能與安全性，更多相關(guān)的技術(shù)與產(chǎn)品細(xì)節(jié)，請(qǐng)洽ADI或艾睿電子以取得更詳細(xì)的信息。