電池電量監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)知識(shí)

電池管理系統(tǒng)基礎(chǔ)知識(shí)TinoPanBMSFAENov.2015什么是電池管理系統(tǒng)電池管理系統(tǒng)（BATTERYMANAGEMENTSYSTEM），電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)（BMS）是連接車載動(dòng)力電池和電動(dòng)汽車的重要一環(huán)。其主要功能包括：電池電量監(jiān)測(cè)電池狀態(tài)估計(jì)在線診斷與預(yù)警充、放電與預(yù)充控制電池均衡管理熱管理什么是電池電量監(jiān)測(cè)技術(shù)?電池電量監(jiān)測(cè)是一種用于在所有的系統(tǒng)運(yùn)行及空閑情況下預(yù)測(cè)電池容量的技術(shù)。電池容量百分比至電量耗盡/充滿的時(shí)間毫安時(shí)(mAh)瓦時(shí)(Wh)通話時(shí)間、閑置時(shí)間，等可獲得用于反映電池健康狀況及安全診斷的其他數(shù)據(jù)。健康狀態(tài)滿充電容量73%運(yùn)行時(shí)間6:23概要電池化學(xué)成分基本知識(shí)傳統(tǒng)的電池電量監(jiān)測(cè)方法基于電壓庫侖計(jì)數(shù)阻抗跟蹤技術(shù)及其優(yōu)勢(shì)電池電量監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)知識(shí)

第一部分：電池化學(xué)成分基本知識(shí)鋰離子電池放電曲線：最優(yōu)運(yùn)行時(shí)間隨著放電速率、溫度和老化情況改變關(guān)斷電壓可提供盡可能長的運(yùn)行時(shí)間電池化學(xué)容量QmaxEDV=每節(jié)電池3.0VQmax

電池容量(Qmax)：在達(dá)到放電終止電壓(EDV)之前可從滿充電電池提取的

電荷量。EDV是應(yīng)用或電池化學(xué)成分可接受的最小電壓。負(fù)載電流：<0.1CCBATRBAT電池容量：1C放電速率1C：在一小時(shí)內(nèi)將一節(jié)電池完全放電所需的電流示例：2200mAh電池，

1C放電速率：2200mA，1小時(shí)0.5C速率：1100mA，2小時(shí)3.6V(電池額定電壓)12345603.03.54.04.5容量，Ah電壓，V4.23.63.02.4電池電壓(V)開路電壓(OCV)EDVQmaxI?RBATQuse放電電流較高時(shí)將更早地達(dá)到EDV?？捎萌萘縌use<QmaxRBATOCV+-I+-V=OCV

-I*RBAT可用容量QuseQmaxQuse電池電阻?阻抗=f(T,SOC和老化)電阻在100次充放電之后將增加一倍電池之間的電阻偏差為10-15%不同制造商的電池電阻偏差可達(dá)10-15%電荷狀態(tài)(SOC)4.23.63.02.4電池電壓(V)OCVEDVQmaxQ狀態(tài)A對(duì)于滿充電電池，SOC=1(DOD=0)

對(duì)于完全放電電池，SOC=0(DOD=1)

阻抗在很大程度上取決于溫度、電荷狀態(tài)及老化

阻抗與溫度和DOD有關(guān)完全放電滿充電DOD=1-SOC(電荷狀態(tài))SOC=1(滿充電電池)SOC=0(完全放電電池)SOC：電荷狀態(tài)DOD：放電深度阻抗和容量隨老化而改變?cè)?00次充電之后化學(xué)容量減少3-5%電池阻抗隨老化而增加阻抗在100次充電之后幾乎增加一倍。020406080100電池容量%4.23.923.633.353.072.782.50電池電壓(V)第1次充電第100次充電Rbat新電池的阻抗差異低頻(1mHz)阻抗偏差為15%在1C速率放電、40-mV壓差下，會(huì)引起±26%的最大SOC誤差00.0620.0840.110.130.15R(Z)--Im(Z)-0.050.02501mHz1kHz制造商11mHz1kHz00.0420.0640.0860.110.13R(Z)--Im(Z)-0.050.0250制造商2LC1RSERRhfR1R2C2I?RBAT4.23.63.02.4電池電壓(V)OCVEDVQmax狀態(tài)ARM1RM2電池剩余容量(RM)RM在不同的放電速率下是不一樣的。RM：從當(dāng)前狀態(tài)至EDV的電池容量電池化學(xué)成分概要Qmax=電池化學(xué)容量(無負(fù)載)Quse=可用容量(與負(fù)載有關(guān))電池電阻和負(fù)載產(chǎn)生I-R壓降SOC=電荷狀態(tài)(%，取決于OCV)RM=剩余容量(取決于負(fù)載)電池老化會(huì)影響阻抗和容量電池電量監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)知識(shí)

第二部分：傳統(tǒng)的電池電量監(jiān)測(cè)方法目標(biāo)：充分利用可用的電池容量+0%20%40%60%80%100%容量充電電壓容差由于電量監(jiān)測(cè)不準(zhǔn)確所導(dǎo)致的關(guān)斷不確定性

可用容量實(shí)際上也許只用了80-90%！

高準(zhǔn)確度的電量監(jiān)測(cè)可延長電池的運(yùn)行時(shí)間實(shí)際的有效容量電量監(jiān)測(cè)計(jì)有哪些功能呢？電池與用戶之間的通信測(cè)量：電池電壓充電或放電電流溫度提供：電池運(yùn)行時(shí)間和剩余容量電池健康狀況信息總體電池電源管理（工作模式）如何實(shí)現(xiàn)電量監(jiān)測(cè)計(jì)?基于電壓：SOC=f(VBAT)庫侖計(jì)數(shù)：阻抗跟蹤：實(shí)時(shí)電阻測(cè)量?基于電壓的電量監(jiān)測(cè)計(jì)4.23.43.0電池電壓(V)開路電壓(OCV)EDV電池容量QmaxQuse3.8

應(yīng)用：低端蜂窩電話、數(shù)碼相機(jī)(DSC)…

脈動(dòng)的負(fù)載會(huì)導(dǎo)致電池容量指示條上下浮動(dòng)

僅在非常低的電流下準(zhǔn)確I?RBAT*兩項(xiàng)測(cè)試均采用C/3放電速率電流完全弛豫需要大約2000秒的時(shí)間在不同的時(shí)刻具有不同的電壓20至3000秒之間的電壓差異超過20mV電池–瞬態(tài)響應(yīng)3.8303.8553.8803.90501000200030004000時(shí)間（秒）電池電壓(V)LC1RSERRhfR1R2C20500100015002000250030003500

時(shí)間（秒）3.2503.2753.3003.325電池電壓(V)負(fù)載移除負(fù)載移除基于電壓之電量監(jiān)測(cè)的SOC誤差新電池的誤差誤差隨老化的演變情況1511.257.53.750020406080100SOC%SOC誤差%20-mV弛豫測(cè)量誤差15%的電池間電阻容差

每充電100

次電池的電阻將增加一倍SOC誤差%020406080100SOC%1007550250?優(yōu)勢(shì)無需完全放電就能進(jìn)行學(xué)習(xí)自放電無需校正在小負(fù)載電流條件下非常準(zhǔn)確劣勢(shì)由于內(nèi)部電池阻抗的原因，準(zhǔn)確度欠佳阻抗與溫度、老化和電荷狀態(tài)之間存在函數(shù)關(guān)系基于電壓的電量監(jiān)測(cè)計(jì)電池處于滿充電狀態(tài)在放電過程中容量被積分每次發(fā)生完全放電時(shí)Qmax都被更新基于庫侖計(jì)數(shù)的電量監(jiān)測(cè)EDV：放電終止電壓Q01234563.03.54.04.5容量，Ah鋰離子電池單元電壓EDVQmax0.2C放電速率在完全放電之前進(jìn)行學(xué)習(xí)當(dāng)達(dá)到0%容量時(shí)再學(xué)習(xí)就太遲了針對(duì)給定的剩余容量百分比來設(shè)定電壓門限7%、3%剩余容量時(shí)的真實(shí)電壓取決于電流、溫度和阻抗012345633.544.5電壓(V)EDV00%3%7%EDV1EDV2容量Q(Ah)012345633.544.5電壓(V)7%CEDV2(I1)容量Q(Ah)經(jīng)補(bǔ)償?shù)姆烹娊K止電壓(CEDV)CEDV=OCV(T,SOC)-I*R(T,SOC)30%CEDV2(I2)7%

建模：R(SOC,T)，適用于新電池

計(jì)算任意電流(I)和溫度(T)條件下的CEDV2(7%)和CEDV1(3%)門限

對(duì)于老化的電池則不準(zhǔn)確基于庫侖計(jì)數(shù)的電量監(jiān)測(cè)?與老化相關(guān)的主要參數(shù)：阻抗優(yōu)勢(shì)不受電壓測(cè)量失真的影響準(zhǔn)確度由電流積分硬件確定監(jiān)測(cè)誤差：3-10%（取決于工作條件和用途）劣勢(shì)需要學(xué)習(xí)周期以更新Qmax

電池容量隨老化而下降Qmax減少幅度：3-5%（100次充電）在不學(xué)習(xí)的情況下，每充電10次監(jiān)測(cè)誤差將增加1%自放電必須建模：不準(zhǔn)確

在沒有負(fù)載的情況下（弛豫）可從OCV實(shí)現(xiàn)非常準(zhǔn)確的電量監(jiān)測(cè)對(duì)于典型電量監(jiān)測(cè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)4.23.63.02.4電池電壓(V)開路電壓(OCV)EDV電池容量QmaxI?RBATQuse

在有負(fù)載的情況下，可利用庫侖計(jì)數(shù)實(shí)現(xiàn)非常準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)問題考察4.23.63.02.4電池電壓(V)開路電壓(OCV)EDV電池容量QmaxI?RBATQuse

基于電壓的電量監(jiān)測(cè)計(jì)：V=OCV(T,SOC)-IR(T,SOC,老化)

電流積分電量監(jiān)測(cè)計(jì)：CEDV=OCV(T,SOC)-IR(T,SOC,老化)問題：電池阻抗電池電量監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)知識(shí)

第三部分：阻抗跟蹤技術(shù)的優(yōu)勢(shì)基于電壓的電量監(jiān)測(cè)：可在無負(fù)載條件下提供準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)基于庫侖計(jì)數(shù)的電量監(jiān)測(cè)：可在有負(fù)載條件下提供準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)整合了基于電壓和基于電流之監(jiān)測(cè)方法的優(yōu)勢(shì)實(shí)時(shí)阻抗測(cè)量采用開路電壓和阻抗信息來計(jì)算給定平均負(fù)載條件下的剩余運(yùn)行時(shí)間。

ImpedanceTrackTM

電量監(jiān)測(cè)V=OCV(T,SOC)-

I*R(T,SOC,Aging)對(duì)于所有被測(cè)試制造商的產(chǎn)品，OCV曲線皆很相似大多數(shù)的電壓偏移<5mV平均SOC預(yù)測(cè)誤差<1.5%對(duì)于來自不同制造商的同種化學(xué)成分電池，可以使用相同的數(shù)據(jù)庫OCV=f(SOC,T)曲線的比較500SOC%155-5-15電壓偏移(mV)1007550250SOC誤差%41.33-1.33-41007550250SOC%4.23.933.673.4開路電壓(OCV)曲線怎樣測(cè)量OCV?OCV測(cè)量允許SOC具有0.1%的最大誤差取消了自放電估測(cè)電池電壓(V)00.51.01.52.02.5時(shí)間（小時(shí)）4.24.14.03.93.83.7系統(tǒng)接通系統(tǒng)接通系統(tǒng)關(guān)斷怎樣測(cè)量阻抗?數(shù)據(jù)閃存包含一個(gè)固定的表格：OCV=f(SOC,T)IT算法：充電和放電期間的實(shí)時(shí)測(cè)量和計(jì)算。1007550250SOC%4.23.933.673.4開路電壓曲線OCVVBATIRBATV=OCV(T,SOC)-

I*R(T,SOC,老化)對(duì)于傳統(tǒng)電池容量學(xué)習(xí)的問題+裝運(yùn)完全放電+完全充電+半放電

需要采用許多的測(cè)試設(shè)備并花費(fèi)大量的時(shí)間。

用戶有可能永遠(yuǎn)無法實(shí)現(xiàn)電池的完全放電以學(xué)習(xí)容量。

在不學(xué)習(xí)的情況下，每充電10次監(jiān)測(cè)誤差就將增加1%。傳遞的電荷數(shù)量由精確的庫侖計(jì)數(shù)來確定SOC1和SOC2利用其OCV進(jìn)行測(cè)量這種方法適用于充電或放電過程在未完全放電的情況下學(xué)習(xí)QmaxQ電池電壓(V)00.51.01.52.02.53.0時(shí)間（小時(shí)）4.24.14.03.93.8P1P2充電的起點(diǎn)測(cè)量點(diǎn)OCV00.51.01.52.02.53.0時(shí)間（小時(shí)）QP2P1放電的起點(diǎn)測(cè)量點(diǎn)OCV.current........電阻更新總?cè)萘扛码娏鞣e分積分模式與相關(guān)模式之間的合作放電弛豫充電電流積分電壓相關(guān)SOC

更新阻抗跟蹤電量監(jiān)測(cè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)整合了基于電壓和庫侖計(jì)數(shù)這兩種電量監(jiān)測(cè)方法各自的優(yōu)勢(shì)在小電流(OCV)和大負(fù)載電流時(shí)均可提供準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)棄用不準(zhǔn)確的自放電模型（采用OCV讀?。?duì)于新電池和老化電池可提供非常準(zhǔn)確的電量監(jiān)測(cè)容量學(xué)習(xí)無需滿充電和完全放電電量監(jiān)測(cè)的好處可準(zhǔn)確地報(bào)告電池的剩余運(yùn)行時(shí)間可提供更好的電源管理可獲得更長的電池運(yùn)行時(shí)間電源管理準(zhǔn)確度：關(guān)斷所需的保護(hù)間隔較小可根據(jù)阻抗隨溫度、放電速率和老化情況改變關(guān)斷電壓按序關(guān)斷當(dāng)電池失效時(shí)可利用儲(chǔ)備能量自動(dòng)地將數(shù)據(jù)保存至閃存電量監(jiān)測(cè)可實(shí)現(xiàn)移動(dòng)應(yīng)用運(yùn)行時(shí)間比較示例

ImpedanceTrackTM監(jiān)測(cè)計(jì)關(guān)斷與OCV關(guān)斷點(diǎn)的比較

不具備準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)計(jì)的系統(tǒng)簡(jiǎn)單地在某個(gè)固定電壓下關(guān)斷智能手機(jī)、平板電腦、便攜式醫(yī)療、數(shù)碼相機(jī)等需要備用電池能量來完成關(guān)斷任務(wù)許多設(shè)備都在3.5V或3.6V時(shí)關(guān)斷，以顧及備用容量最差的情況在此比較當(dāng)中使用的是3.5V關(guān)斷監(jiān)測(cè)計(jì)將計(jì)算剩余容量并改變關(guān)斷電壓，直到在所有情況下均確切地留有備用容量為止。使用10mAH備用容量電池的溫度和老化狀況是變化的電量監(jiān)測(cè)–ImpedanceTrackTM技術(shù)的優(yōu)勢(shì)動(dòng)態(tài)（學(xué)習(xí)）能力應(yīng)用中的溫度可變性IT考慮到了由于溫度的上升/下降所引起的電池阻抗變化IT引入了熱模擬以針對(duì)自發(fā)熱進(jìn)行調(diào)節(jié)負(fù)載變化IT將跟蹤由于高負(fù)載尖峰所引起的電壓降老化電池IT擁有針對(duì)因電池老化所致的可用容量變化進(jìn)行調(diào)節(jié)的能力延長運(yùn)行時(shí)間借助基于IT的監(jiān)測(cè)計(jì)可采用較低的終止電壓靈活性電池特性分析主機(jī)系統(tǒng)無需執(zhí)行任何計(jì)算或監(jiān)測(cè)算法未得到使用的電池容量的含義

電池成本：每100mAh容量的平均成本為0.15美元較低的終止電壓(TV)=較大的電池容量對(duì)于新電池，TV降低500mV可增加大約5%的容量→就1500mAh電池而言節(jié)省了約0.10美元對(duì)于老化電池，TV降低500mV可增加大約50%的容量→可節(jié)省約1.00美元（就1500mAh電池而言）并延長運(yùn)行時(shí)間！為制造商提供了節(jié)省成本的機(jī)會(huì)，同時(shí)還延長了最終用戶的電池運(yùn)行時(shí)間由于監(jiān)測(cè)不準(zhǔn)確而造成的損失假設(shè)客戶每天進(jìn)行一次充放電→3個(gè)月的使用時(shí)間=90天，大約充電90次→電池內(nèi)部阻抗幾乎增加一倍→出現(xiàn)電池老化的情況未采用阻抗跟蹤的監(jiān)測(cè)計(jì)→由于電池逐步老化的原因而產(chǎn)生了不準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)結(jié)果→短得多的運(yùn)行時(shí)間乃至發(fā)生系統(tǒng)崩潰運(yùn)營商的電池質(zhì)保期可能為一年甚至兩年。客戶由于故障監(jiān)測(cè)結(jié)果的緣故而將整部設(shè)備退貨→質(zhì)保期內(nèi)的退貨將使公司蒙受經(jīng)濟(jì)損失基于阻抗跟蹤的監(jiān)測(cè)計(jì)能夠延長電池運(yùn)行時(shí)間，并避免發(fā)生因故障監(jiān)測(cè)結(jié)果所致的一些代價(jià)高昂的退貨總結(jié)就便攜式電子產(chǎn)品而言，準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)計(jì)對(duì)于獲得長運(yùn)行時(shí)間的重要性絲毫不亞于降低設(shè)計(jì)方案的功耗及采用強(qiáng)健的電池。可用的電量監(jiān)測(cè)計(jì)有很多種，它們采用了不同的監(jiān)測(cè)方法和不同的折衷方案。TI

多節(jié)電池解決方案介紹(電池電量檢測(cè)與監(jiān)視、電池保護(hù))LithiumChemistryBatteryManagement

HCEProduct–SolutionsMap7cell?Printer5,6cell

E-bike16cell?Scooter9,10cell12cell?Vacuum?ToyOthersEV-HEV-PHEVUPSPowerTools>20cell8cell3,4cellApplicationbq77908A,bq77910A,bq77PL15x,bq76930bq76PL536A/bq76PL455Abq76925,bq76920Bq76920,bq76930,bq76940bq76PL536A/bq76PL455Abq76PL536A/bq76PL455ABq76920,bq76930,bq76940Monitoring–Balancing–Protecting(1/3page)主動(dòng)保護(hù)與電池平衡可單機(jī)工作4to10LiCells包含磷酸鐵鋰電池電池掉電檢測(cè)OV,UV,OT,SC,OCD,OCC檢測(cè)電阻式平衡-50mA

內(nèi)部均衡電流NFET

驅(qū)動(dòng)提供3.3V穩(wěn)壓輸出38-pinSSOP電池過壓保護(hù)3to6LiCells可堆棧to18+Cells包含磷酸鐵鋰電池NFET

驅(qū)動(dòng)精準(zhǔn)過壓檢測(cè)電池平衡檢測(cè)可回復(fù)式或栓鎖輸出超低自耗電16-pinSSOPNotes:

OV=過壓,UV=欠壓,OT=過溫,SC=短路,OP=電池掉電檢測(cè),OCD=放電過電流,OCC=充電過電流,IT=阻抗追蹤技術(shù)bq77910AProtectorFETDriveBalancingbq77PL157ProtectorFETDrive模擬前端與電池平衡需要主機(jī)控制3to6LiCells包含磷酸鐵鋰電池電池掉電檢測(cè)電阻式平衡可讀出電池電壓可讀出電流可讀出溫度中斷與模擬輸出提供3.3V穩(wěn)壓輸出20-pinSSOPbq76925AFEBalancingbq77908AProtectorFETDriveBalancing主動(dòng)保護(hù)與電池平衡可單機(jī)工作4to8LiCells包含磷酸鐵鋰電池電池掉電檢測(cè)OV,UV,OT,SC,OCD,OCC檢測(cè)電阻式平衡-50mA

內(nèi)部均衡電流NFET

驅(qū)動(dòng)提供3.3V穩(wěn)壓輸出38-pinSSOP量產(chǎn)評(píng)估可提供樣品新定義Monitoring–Balancing–Protecting(2/3page)Notes:

OV=過壓,UV=欠壓,OT=過溫,SC=短路,OP=電池掉電檢測(cè),OCD=放電過電流,OCC=充電過電流,IT=阻抗追蹤技術(shù)模擬前端與電池平衡需要主機(jī)控制9

to15LiCells內(nèi)置硬件保護(hù)純數(shù)字接口可搭配bqMAXIMUS配套控制器（芯片組解決方案）包含磷酸鐵鋰電池電池掉電檢測(cè)電阻式平衡14位ADC的電池電壓和溫度15位ADC（庫侖計(jì)數(shù)器）電流中斷輸出支持電池隨機(jī)連接提供3.3V穩(wěn)壓輸出30-160μAnormal關(guān)斷模是小於1uA44-pinSSOP模擬前端與電池平衡需要主機(jī)控制6to

10LiCells內(nèi)置硬件保護(hù)純數(shù)字接口可搭配bqMAXIMUS配套控制器（芯片組解決方案）包含磷酸鐵鋰電池電池掉電檢測(cè)電阻式平衡14位ADC的電池電壓和溫度15位ADC（庫侖計(jì)數(shù)器）電流中斷輸出支持電池隨機(jī)連接提供3.3V穩(wěn)壓輸出30-160μAnormal關(guān)斷模是小於1uA30-pinSSOP模擬前端與電池平衡需要主機(jī)控制3to

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LiCells內(nèi)置硬件保護(hù)純數(shù)字接口可搭配bqMAXIMUS配套控制器（芯片組解決方案）包含磷酸鐵鋰電池電池掉電檢測(cè)電阻式平衡14位ADC的電池電壓和溫度15位ADC（庫侖計(jì)數(shù)器）電流中斷輸出支持電池隨機(jī)連接提供3.3V穩(wěn)壓輸出30-160μAnormal關(guān)斷模是小於1uA20-pinSSOP量產(chǎn)評(píng)估可提供樣品新定義bq76920AFEFETDriveBalancingbq76930AFEFETDriveBalancingbq76940AFEFETDriveBalancingbqMAXIMO&bqMAXIMUS:擁有最大靈活性bqMAXIMO:模擬前端bq76920bq76930bq76940bq783503S~5S主動(dòng)保護(hù)與電池平衡6S~10S主動(dòng)保護(hù)與電池平衡9S~15S主動(dòng)保護(hù)與電池平衡包含全面的保護(hù):

OV,UV,OCD,SCD,OCC,OT-D,OT-C,