鋰電池的充電狀態(tài)（SOC）估算、庫侖計(jì)數(shù)和電流感應(yīng)

鋰電池的充電狀態(tài)（SOC）的估算在技術(shù)上是困難的，特別是在未對電池完全充電或完全放電的應(yīng)用中。這樣的應(yīng)用是混合動力電動汽車（HEV）。挑戰(zhàn)源于鋰電池具有非常平坦的電壓放電特性這一事實(shí)。從70％SOC到20％SOC的電壓變化很小。實(shí)際上，由于溫度變化引起的電壓變化類似于由于放電引起的電壓變化，因此，如果要從電壓得出SOC，則必須補(bǔ)償電池溫度。

圖1：鋰電池電量計(jì)

另一個挑戰(zhàn)是這樣一個事實(shí)，即電池容量由最低容量的電池的容量決定，因此，不應(yīng)從電池的端子電壓來判斷SOC，而應(yīng)該從最弱的電池的端子電壓來判斷。這一切聽起來有點(diǎn)太難了。那么，為什么不簡單地將電池的總運(yùn)行電流保持在電池中，并與流出的電流保持平衡呢？這被稱為庫侖計(jì)數(shù)，聽起來很簡單，但是這種方法也有很多困難。

困難是：

電池不是完美的蓄電池。他們從不退還您投入他們的東西。充電期間會發(fā)生電流泄漏，并且泄漏會隨溫度，充電速率，充電狀態(tài)和使用年限而變化。

電池的容量也隨放電速率非線性變化。放電越快，容量越低。從0.5C放電到5C放電的降低幅度可能高達(dá)15％。

電池的泄漏電流在較高溫度下會大大增加。電池中的內(nèi)部電池可能比外部電池更熱，因此通過電池的電池泄漏將是不平等的。

容量也是溫度的函數(shù)。某些鋰化學(xué)物質(zhì)比其他化學(xué)物質(zhì)受到的影響更大。

為了補(bǔ)償這種不平等，在電池內(nèi)采用了電池單元平衡。電池外部無法測量到這種額外的泄漏電流。

隨著電池壽命的增長，電池容量會逐漸減少。

電流測量中的任何小偏差都將被積分，并且隨著時間的流逝會變得很大，從而嚴(yán)重影響SOC的精度。

除非進(jìn)行定期校正，否則所有以上所有這些都會導(dǎo)致精度隨時間的變化，但是只有在電池快要放電或快滿時才可以校正。在HEV應(yīng)用中，最好將電池保持在約50％的電量，因此可靠地校正計(jì)量精度的一種可能方法是定期對電池進(jìn)行完全充電。純電動汽車會定期充滿電或接近充滿電，因此基于庫侖計(jì)數(shù)的計(jì)量可能非常準(zhǔn)確，尤其是在補(bǔ)償了其他電池問題的情況下。

庫侖計(jì)數(shù)實(shí)現(xiàn)高精確度的關(guān)鍵是在寬動態(tài)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)良好的電流感測。

對我們而言，傳統(tǒng)的電流測量方法是分流器，但是當(dāng)涉及較高（250A +）電流時，這些分流器會掉下來。由于功耗問題，分流器必須具有低電阻。低電阻分流器不適用于測量低（50mA）電流。這立即帶來了最重要的問題：需要測量的最小和最大電流是多少？這稱為動態(tài)范圍。

通過假設(shè)使用100Ahr電池來粗略估算可接受的積分誤差。

4安培的誤差將在一天之內(nèi)產(chǎn)生100％的誤差，或者0.4A的誤差將在一天中產(chǎn)生10％的誤差。

4 / 7A錯誤將在一周內(nèi)產(chǎn)生100％的誤差，或60mA錯誤將在一周內(nèi)產(chǎn)生10％的誤差。

4 / 28A錯誤將在一個月內(nèi)產(chǎn)生100％的誤差，或者15mA錯誤將在一個月內(nèi)產(chǎn)生10％的誤差，這可能是無法通過充電或接近完全放電來重新校準(zhǔn)的計(jì)量的最佳結(jié)果。

現(xiàn)在讓我們看一下分流器來測量電流。對于250A，高端將有一個1m歐姆的分流器，并產(chǎn)生62.5W。但是，在15mA的電流下，它只會產(chǎn)生15微伏的電壓，這會在本底噪聲中損失掉。動態(tài)范圍為250A / 15mA = 17,000：1。如果它實(shí)際上可以“看到”噪聲，偏移和漂移之間的信號，則需要一個14位A / D轉(zhuǎn)換器。一個重要的偏移原因是熱電偶產(chǎn)生的電壓和接地環(huán)路偏移。

從根本上講，在這種動態(tài)范圍內(nèi)，沒有任何一個傳感器可以實(shí)際測量電流。需要高電流傳感器來測量來自示例牽引和充電的較高電流，而需要低電流傳感器來測量來自例如附件和任何零電流狀態(tài)的電流。由于低電流傳感器也會“看到”大電流，因此除飽和以外，一定不要被這些電流損壞或破壞。這立即算出分流器。

一個解法

一個非常合適的傳感器系列是開環(huán)霍爾電流傳感器。這些設(shè)備不會受到大電流的損壞，Raztec已開發(fā)出一種傳感器范圍，該傳感器范圍實(shí)際上可以通過一次導(dǎo)體測量毫安范圍內(nèi)的電流。100mV / AT的傳遞函數(shù)很實(shí)用，因此15mA的電流將產(chǎn)生可用的1.5mV。通過使用最好的可用磁芯材料，也可以實(shí)現(xiàn)單毫安范圍內(nèi)的低剩磁。在100mV / AT時，高于25安培時將發(fā)生飽和。較低的編程增益當(dāng)然會允許較高的電流。

圖2：以圖解方式描繪的SOC算法

用常規(guī)的大電流傳感器測量大電流。從一個傳感器切換到另一個傳感器需要簡單的邏輯。

Raztec新推出的無芯傳感器系列是高電流傳感器的絕佳選擇。這些器件具有出色的線性度，穩(wěn)定性和零滯后性。它們很容易適應(yīng)多種機(jī)械配置和電流范圍。這些設(shè)備通過采用性能卓越的新一代磁場傳感器而變得實(shí)用。

兩種傳感器類型仍然有利于管理具有很高動態(tài)電流范圍的信噪比。

但是，由于電池本身不是精確的庫侖計(jì)數(shù)器，因此極高的精度將是多余的。對于電池，充放電之間的誤差通常為5％，這會引發(fā)進(jìn)一步的不一致性?？紤]到這一點(diǎn)，可以使用使用電池基本模型的相對簡單的技術(shù)。該模型可以由空載的端子電壓對容量，充電電壓對容量，放電和充電電阻組成，可以根據(jù)容量和充電/放電周期進(jìn)行修改。為了適應(yīng)耗盡和恢復(fù)電壓時間常數(shù)，需要建立合適的測量電壓時間常數(shù)。

優(yōu)質(zhì)鋰電池的一個顯著優(yōu)點(diǎn)是，在高放電速率下，鋰電池的容量損失很小。這一事實(shí)簡化了計(jì)算。而且它們具有非常低的泄漏電流。系統(tǒng)泄漏可能會更高。

在建立合適的參數(shù)之后，該技術(shù)可以在不進(jìn)行庫侖計(jì)數(shù)的情況下，在實(shí)際剩余容量的百分之幾之內(nèi)實(shí)現(xiàn)荷電狀態(tài)估計(jì)。電池成為庫侖計(jì)數(shù)器。

電流傳感器內(nèi)的誤差源

如上所述，偏移誤差對于庫侖計(jì)數(shù)至關(guān)重要。SOC監(jiān)控器內(nèi)應(yīng)規(guī)定在零電流條件下將傳感器偏移校準(zhǔn)為零。通常，僅在工廠安裝過程中執(zhí)行此操作是可行的。但是，在某些系統(tǒng)中，肯定會存在零電流，因此可以自動重新校準(zhǔn)偏移量。這是理想的情況，因?yàn)榭梢匀菁{漂移。

不幸的是，所有傳感器技術(shù)都有熱產(chǎn)生的偏移漂移，電流傳感器也不例外?，F(xiàn)在我們可以看到，這是至關(guān)重要的質(zhì)量。通過在Raztec使用優(yōu)質(zhì)的組件和精心的工程設(shè)計(jì)，我們開發(fā)了一系列非常熱穩(wěn)定的電流傳感器，其漂移范圍小于0.25mA / K。對于20K的溫度變化，這可能會產(chǎn)生5mA的最大誤差。

包括磁路的電流傳感器的另一個常見誤差源是由于剩磁引起的磁滯誤差。通常最高可達(dá)400mA，這使得此類傳感器無法用于電池監(jiān)控。通過選擇最好的可用磁性材料，Raztec的質(zhì)量已降至20mA。該錯誤實(shí)際上也隨著時間而減少。如果需要更少的誤差，則可以進(jìn)行消磁，但確實(shí)會增加相當(dāng)大的復(fù)雜性。

較小的誤差是傳遞函數(shù)校準(zhǔn)隨溫度的漂移，但是對于質(zhì)量傳感器，這種影響遠(yuǎn)小于電池性能隨溫度的漂移。

最佳的SOC估計(jì)機(jī)制是結(jié)合多種技術(shù)，例如使用穩(wěn)定的空載電壓，通過IXR補(bǔ)償?shù)碾姵仉妷?，庫侖?jì)數(shù)和參數(shù)的溫度補(bǔ)償。例如，通過從電池空載或低載電壓估算SOC可以忽略長期積分誤差。

編輯：hfy