電池電量監(jiān)測基礎(chǔ)知識

電池管理系統(tǒng)基礎(chǔ)知識TinoPanBMSFAENov.2015什么是電池管理系統(tǒng)電池管理系統(tǒng)（BATTERYMANAGEMENTSYSTEM），電動汽車電池管理系統(tǒng)（BMS）是連接車載動力電池和電動汽車的重要一環(huán)。其主要功能包括：電池電量監(jiān)測電池狀態(tài)估計在線診斷與預(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)測技術(shù)?電池電量監(jiān)測是一種用于在所有的系統(tǒng)運行及空閑情況下預(yù)測電池容量的技術(shù)。電池容量百分比至電量耗盡/充滿的時間毫安時(mAh)瓦時(Wh)通話時間、閑置時間，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%運行時間6:23概要電池化學(xué)成分基本知識傳統(tǒng)的電池電量監(jiān)測方法基于電壓庫侖計數(shù)阻抗跟蹤技術(shù)及其優(yōu)勢電池電量監(jiān)測基礎(chǔ)知識

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

電池容量(Qmax)：在達到放電終止電壓(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。負載電流：<0.1CCBATRBAT電池容量：1C放電速率1C：在一小時內(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0.5C速率：1100mA，2小時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放電電流較高時將更早地達到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10-15%電荷狀態(tài)(SOC)4.23.63.02.4電池電壓(V)OCVEDVQmaxQ狀態(tài)A對于滿充電電池，SOC=1(DOD=0)

對于完全放電電池，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在100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(無負載)Quse=可用容量(與負載有關(guān))電池電阻和負載產(chǎn)生I-R壓降SOC=電荷狀態(tài)(%，取決于OCV)RM=剩余容量(取決于負載)電池老化會影響阻抗和容量電池電量監(jiān)測基礎(chǔ)知識

第二部分：傳統(tǒng)的電池電量監(jiān)測方法目標：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)測不準確所導(dǎo)致的關(guān)斷不確定性

可用容量實際上也許只用了80-90%！

高準確度的電量監(jiān)測可延長電池的運行時間實際的有效容量電量監(jiān)測計有哪些功能呢？電池與用戶之間的通信測量：電池電壓充電或放電電流溫度提供：電池運行時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）如何實現(xiàn)電量監(jiān)測計?基于電壓：SOC=f(VBAT)庫侖計數(shù)：阻抗跟蹤：實時電阻測量?基于電壓的電量監(jiān)測計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(DSC)…

脈動的負載會導(dǎo)致電池容量指示條上下浮動

僅在非常低的電流下準確I?RBAT*兩項測試均采用C/3放電速率電流完全弛豫需要大約2000秒的時間在不同的時刻具有不同的電壓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時間（秒）電池電壓(V)LC1RSERRhfR1R2C20500100015002000250030003500

時間（秒）3.2503.2753.3003.325電池電壓(V)負載移除負載移除基于電壓之電量監(jiān)測的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)勢無需完全放電就能進行學(xué)習(xí)自放電無需校正在小負載電流條件下非常準確劣勢由于內(nèi)部電池阻抗的原因，準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)測計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Qmax都被更新基于庫侖計數(shù)的電量監(jiān)測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行學(xué)習(xí)當(dāng)達到0%容量時再學(xué)習(xí)就太遲了針對給定的剩余容量百分比來設(shè)定電壓門限7%、3%剩余容量時的真實電壓取決于電流、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

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

對于老化的電池則不準確基于庫侖計數(shù)的電量監(jiān)測?與老化相關(guān)的主要參數(shù)：阻抗優(yōu)勢不受電壓測量失真的影響準確度由電流積分硬件確定監(jiān)測誤差：3-10%（取決于工作條件和用途）劣勢需要學(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)測誤差將增加1%自放電必須建模：不準確

在沒有負載的情況下（弛豫）可從OCV實現(xiàn)非常準確的電量監(jiān)測對于典型電量監(jiān)測計的優(yōu)勢4.23.63.02.4電池電壓(V)開路電壓(OCV)EDV電池容量QmaxI?RBATQuse

在有負載的情況下，可利用庫侖計數(shù)實現(xiàn)非常準確的監(jiān)測問題考察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)測計：V=OCV(T,SOC)-IR(T,SOC,老化)

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

第三部分：阻抗跟蹤技術(shù)的優(yōu)勢基于電壓的電量監(jiān)測：可在無負載條件下提供準確的監(jiān)測基于庫侖計數(shù)的電量監(jiān)測：可在有負載條件下提供準確的監(jiān)測整合了基于電壓和基于電流之監(jiān)測方法的優(yōu)勢實時阻抗測量采用開路電壓和阻抗信息來計算給定平均負載條件下的剩余運行時間。

ImpedanceTrackTM

電量監(jiān)測V=OCV(T,SOC)-

I*R(T,SOC,Aging)對于所有被測試制造商的產(chǎn)品，OCV曲線皆很相似大多數(shù)的電壓偏移<5mV平均SOC預(yù)測誤差<1.5%對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)曲線怎樣測量OCV?OCV測量允許SOC具有0.1%的最大誤差取消了自放電估測電池電壓(V)00.51.01.52.02.5時間（小時）4.24.14.03.93.83.7系統(tǒng)接通系統(tǒng)接通系統(tǒng)關(guān)斷怎樣測量阻抗?數(shù)據(jù)閃存包含一個固定的表格：OCV=f(SOC,T)IT算法：充電和放電期間的實時測量和計算。1007550250SOC%4.23.933.673.4開路電壓曲線OCVVBATIRBATV=OCV(T,SOC)-

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

需要采用許多的測試設(shè)備并花費大量的時間。

用戶有可能永遠無法實現(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)測誤差就將增加1%。傳遞的電荷數(shù)量由精確的庫侖計數(shù)來確定SOC1和SOC2利用其OCV進行測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時間（小時）4.24.14.03.93.8P1P2充電的起點測量點OCV00.51.01.52.02.53.0時間（小時）QP2P1放電的起點測量點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)測計優(yōu)點整合了基于電壓和庫侖計數(shù)這兩種電量監(jiān)測方法各自的優(yōu)勢在小電流(OCV)和大負載電流時均可提供準確監(jiān)測棄用不準確的自放電模型（采用OCV讀?。τ谛码姵睾屠匣姵乜商峁┓浅蚀_的電量監(jiān)測容量學(xué)習(xí)無需滿充電和完全放電電量監(jiān)測的好處可準確地報告電池的剩余運行時間可提供更好的電源管理可獲得更長的電池運行時間電源管理準確度：關(guān)斷所需的保護間隔較小可根據(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)電池失效時可利用儲備能量自動地將數(shù)據(jù)保存至閃存電量監(jiān)測可實現(xiàn)移動應(yīng)用運行時間比較示例

ImpedanceTrackTM監(jiān)測計關(guān)斷與OCV關(guān)斷點的比較

不具備準確監(jiān)測計的系統(tǒng)簡單地在某個固定電壓下關(guān)斷智能手機、平板電腦、便攜式醫(yī)療、數(shù)碼相機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)測計將計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–ImpedanceTrackTM技術(shù)的優(yōu)勢動態(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自發(fā)熱進行調(diào)節(jié)負載變化IT將跟蹤由于高負載尖峰所引起的電壓降老化電池IT擁有針對因電池老化所致的可用容量變化進行調(diào)節(jié)的能力延長運行時間借助基于IT的監(jiān)測計可采用較低的終止電壓靈活性電池特性分析主機系統(tǒng)無需執(zhí)行任何計算或監(jiān)測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）并延長運行時間！為制造商提供了節(jié)省成本的機會，同時還延長了最終用戶的電池運行時間由于監(jiān)測不準確而造成的損失假設(shè)客戶每天進行一次充放電→3個月的使用時間=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)測計→由于電池逐步老化的原因而產(chǎn)生了不準確的監(jiān)測結(jié)果→短得多的運行時間乃至發(fā)生系統(tǒng)崩潰運營商的電池質(zhì)保期可能為一年甚至兩年?？蛻粲捎诠收媳O(jiān)測結(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)濟損失基于阻抗跟蹤的監(jiān)測計能夠延長電池運行時間，并避免發(fā)生因故障監(jiān)測結(jié)果所致的一些代價高昂的退貨總結(jié)就便攜式電子產(chǎn)品而言，準確的監(jiān)測計對于獲得長運行時間的重要性絲毫不亞于降低設(shè)計方案的功耗及采用強健的電池?？捎玫碾娏勘O(jiān)測計有很多種，它們采用了不同的監(jiān)測方法和不同的折衷方案。TI

多節(jié)電池解決方案介紹(電池電量檢測與監(jiān)視、電池保護)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)主動保護與電池平衡可單機工作4to10LiCells包含磷酸鐵鋰電池電池掉電檢測OV,UV,OT,SC,OCD,OCC檢測電阻式平衡-50mA

內(nèi)部均衡電流NFET

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

驅(qū)動精準過壓檢測電池平衡檢測可回復(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,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控制3to6LiCells包含磷酸鐵鋰電池電池掉電檢測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主動保護與電池平衡可單機工作4to8LiCells包含磷酸鐵鋰電池電池掉電檢測OV,UV,OT,SC,OCD,OCC檢測電阻式平衡-50mA

內(nèi)部均衡電流NFET

驅(qū)動提供3.3V穩(wěn)壓輸出38-pinSSOP量產(chǎn)評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,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控制9

to15LiCells內(nèi)置硬件保護純數(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電阻式平衡14位ADC的電池電壓和溫度15位ADC（庫侖計數(shù)器）電流中斷輸出支持電池隨機連接提供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控制6to

10LiCells內(nèi)置硬件保護純數(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電阻式平衡14位ADC的電池電壓和溫度15位ADC（庫侖計數(shù)器）電流中斷輸出支持電池隨機連接提供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控制3to

5

LiCells內(nèi)置硬件保護純數(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電阻式平衡14位ADC的電池電壓和溫度15位ADC（庫侖計數(shù)器）電流中斷輸出支持電池隨機連接提供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主動保護與電池平衡6S~10S主動保護與電池平衡9S~15S主動保護與電池平衡包含全面的保護:

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