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，例如混合動力汽車 (HEV)、電動汽車 (EV)、可供日后使用的再生能源儲存，以及用于各種目的 (電網(wǎng)穩(wěn)定性、調(diào)峰和再生能源時移等) 的電網(wǎng)能源儲存。本文將為您介紹測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。

精密估計電池SOC可以防止電池過度充電和放電

在電動汽車與儲能系統(tǒng)應(yīng)用中，測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)可看作一個熱力學(xué)量，利用它可評估電池的潛在電能。估計電池的運(yùn)行狀態(tài)（SOH）也很重要，SOH以新電池為比較標(biāo)準(zhǔn)，衡量電池儲存和輸送電能的能力。

不過，想要確定的電池SOC是一個很復(fù)雜的任務(wù)，這與電池類型及其應(yīng)用有關(guān)，所以近年來開展了許多旨在提高SOC估計精度的開發(fā)和研究工作。精確估計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，并且還能延長電池壽命。

事實(shí)上，精密估計電池SOC可以避免意料之外的系統(tǒng)中斷，防止電池過度充電和放電（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)和物理過程，在不同工作條件下精確估計SOC并不是輕而易舉的事。

測量SOC的一般方法是非常精確地測量所有工作條件下流入和流出電池組的電量（庫侖）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)測電池完全相同的電池組數(shù)據(jù)，得出SOC的精確估計。這種計算需要的其他數(shù)據(jù)還包括電池溫度、電池模式（測量時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)電池數(shù)據(jù)。

有時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，基本上就是計數(shù)流入和流出電池的電量（庫侖）。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法令人滿意。

鋰離子電池組的等效電路模型

評估平臺測量典型儲能模塊的SOC和SOH

為了測量典型儲能模塊的SOC和SOH，涉及到一個庫侖計數(shù)評估平臺的設(shè)計和開發(fā)。評估平臺主要由以下部分構(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，用作用戶界面以進(jìn)行系統(tǒng)配置、數(shù)據(jù)顯示和分析。

評估平臺通過適當(dāng)?shù)腁DC和傳感器周期性測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)時運(yùn)行SOC估計算法。此算法會使用測得的電壓和電流值、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)（例如來自數(shù)據(jù)庫的制造商規(guī)格）。SOC估計算法的輸出會被送到PC圖形用戶界面，以供動態(tài)顯示和數(shù)據(jù)庫更新。SOC和SOH估計主要使用三種方法，包括庫侖計數(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)，尤其是混合動力電動汽車（HEV）、電動汽車（EV）和光伏（PV）應(yīng)用。

庫侖計數(shù)法也稱為安培時計數(shù)和電流積分法，是計算SOC最常用的技術(shù)。這種方法通過電池電流讀數(shù)對使用時間的積分來計算SOC值。庫侖計數(shù)法通過累計傳入或傳出電池的電荷來計算剩余容量。這種方法的精度主要取決于對電池電流的精密測量和對初始SOC的精確估計。利用一個預(yù)知容量（可以是存儲器記憶的或通過工作條件初始估計的），電池的SOC可以通過充電和放電電流對運(yùn)行時間的積分來計算。

電壓法則是通過電池的SOC（即其剩余容量）可利用受控條件下的放電測試來確定。電壓法利用電池的已知放電曲線（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)動力學(xué)和溫度，電池電流對電壓的影響更嚴(yán)重。利用一個與電池電流成比例的校正項來補(bǔ)償電壓讀數(shù)，并使用電池開路電壓（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任何動態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)的算法，也可用來估計電池SOC。與其他估計方法相比，卡爾曼濾波器可自動提供關(guān)于自身狀態(tài)估計的動態(tài)誤差界。通過電池系統(tǒng)建模以將所需的未知量（如SOC）包含在其狀態(tài)描述中，卡爾曼濾波器估計其值并給出估計的誤差界。然后，它便成為一個基于模型的狀態(tài)估計技術(shù)，利用誤差校正機(jī)制來提供對SOC的實(shí)時預(yù)測。

卡爾曼濾波器原理

選擇合適的SOC和SOH估計方法

選擇合適的SOC估計方法時，應(yīng)考慮多項標(biāo)準(zhǔn)。首先，SOC和SOH估計技術(shù)應(yīng)可用于HEV和EV應(yīng)用、可供日后使用的再生能源儲存、電網(wǎng)能源儲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)是計算復(fù)雜度低、精度高（估計誤差低）的在線式實(shí)時技術(shù)。另外還要求估計方法使用電壓、電流測量值，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)。

為了克服庫侖計數(shù)法的缺點(diǎn)并提高其估計精度，有人已提出一種增強(qiáng)型庫侖計數(shù)算法來估計鋰離子電池的SOC和SOH參數(shù)。初始SOC從加載的電壓（充電和放電）或開路電壓獲得。損耗通過考慮充電和放電效率來補(bǔ)償。通過對工作電池的最大可釋放容量進(jìn)行動態(tài)再校準(zhǔn)，電池的SOH也可以同時估算出來，這又會進(jìn)一步提高SOC估計的精度。

電池有三種工作模式：充電、放電和開路。在充電階段，當(dāng)電池以恒流恒壓（CC-CV）模式充電時，制造商通常會說明電池電壓和電流的變化。充電電流恒定時，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，充電電流一開始會迅速降低，然后緩慢減小。最后，當(dāng)電池完全充滿時，充電電流趨于0。這一充電曲線在恒流階段可轉(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。

在放電階段，電池以不同電流放電時的典型電壓曲線由制造商給出。隨著工作時間的流逝，終端電壓會降低。電流越大，終端電壓下降得越快，故而工作時間越短。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。

開路階段需要OCV與SOC之間的關(guān)系。在斷開負(fù)載之前，電池以不同電流放電。如果休息時間很長，可以利用OCV來估計SOC。電池的工作效率可通過庫侖效率來評估，庫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。

有線電池管理系統(tǒng)（BMS）

多樣解決方案滿足電池監(jiān)控需求

為了解決各種電池監(jiān)控上的問題，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，可測量多達(dá)12個串聯(lián)電池單元，總測量誤差（TME）小于1.5 mV。ADBMS6815具有0 V至5 V的電池測量范圍，適合大多數(shù)電池化學(xué)應(yīng)用?？稍?04 μs內(nèi)測量所有12個電池單元，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ADBMS6815器件串聯(lián)，以便同時監(jiān)測很長的高壓電池串。每個ADBMS6815都有一個isoSPI?接口，用于進(jìn)行不受射頻干擾的遠(yuǎn)距離高速通信。多個器件以菊花鏈形式連接，通過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，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其供電。ADBMS6815包括針對每個電池的無源平衡，可對每個單元進(jìn)行單獨(dú)的脈寬調(diào)制（PWM）占空比控制。其他特性包括一個板載5 V穩(wěn)壓器、七個通用的輸入／輸出（GPIO）線路和一種電流消耗可降低至5.5 μA的休眠模式。ADBMS6815WFS型號設(shè)計用于汽車安全完整性等級能力D (ASIL D)的ISO 26262應(yīng)用。

另一方面，ADI還推出LTC2949這款適用于電動車輛和混合動力車輛以及其他隔離式電流檢測應(yīng)用的高精度電流、電壓、溫度、電量監(jiān)控器。通過同時監(jiān)測多達(dá)兩個檢測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，可通過單個雙絞線連接在兩個隔離器件之間提供雙向SPI通信。每個LTC6820將邏輯狀態(tài)編碼為信號，并跨越一個隔離勢壘將信號傳送至另一個LTC6820。接收LTC6820對傳輸信號進(jìn)行解碼并把從總線驅(qū)動至適當(dāng)?shù)倪壿嫚顟B(tài)。隔離勢壘可利用一個簡單的脈沖變壓器進(jìn)行橋接，以實(shí)現(xiàn)幾百伏的隔離度。

結(jié)語

無論是電動汽車還是儲能系統(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)，請洽ADI或艾睿電子以取得更詳細(xì)的信息。