鋰離子電池SOC的充電狀態(tài)測(cè)量解決方案

電池SOC定義為電池剩余電量的百分比，因此范圍為0％至100％。由于SOC測(cè)量與汽車(chē)中的氣體測(cè)量?jī)x具有相同的目的，因此提供SOC測(cè)量的IC通常被稱(chēng)為“電量計(jì)”或“電量計(jì)”IC。

SOC測(cè)量強(qiáng)調(diào)智能電池管理系統(tǒng)。隨著SOC的變化，電池管理系統(tǒng)計(jì)算出最佳充電電壓和電流值。因此，SOC測(cè)量IC通常與設(shè)計(jì)中的電池充電器IC配對(duì)或作為更全面的充電管理和電池保護(hù)設(shè)計(jì)中的功能包括在內(nèi)。

主機(jī)系統(tǒng)使用SOC測(cè)量來(lái)管理電力使用，并且當(dāng)電池電量變低時(shí)，應(yīng)用程序通知用戶(hù)。例如，在電動(dòng)車(chē)輛中，SOC測(cè)量對(duì)于車(chē)輛可用的剩余范圍的估計(jì)是重要的，并且作為熟悉的燃料計(jì)和范圍估計(jì)出現(xiàn)在駕駛員的顯示面板上。實(shí)際上，汽車(chē)應(yīng)用需要可靠的SOC測(cè)量來(lái)減少“范圍焦慮”，因?yàn)轳{駛員開(kāi)始接受這些新型車(chē)輛。

事實(shí)上，可靠的SOC測(cè)量對(duì)于確保一般可充電電池的安全性和最大化電池壽命至關(guān)重要，特別是鋰離子電池。對(duì)SOC的不良估計(jì)會(huì)導(dǎo)致過(guò)度充電和過(guò)度放電，從而導(dǎo)致電池性能和壽命降低。更糟糕的是，不受控制的充電甚至可能導(dǎo)致電池故障，熱失控甚至無(wú)法控制的通風(fēng)和爆炸。但是，對(duì)于鋰離子電池，SOC的精確測(cè)量最多也是困難的。鋰離子電池在其大部分放電范圍內(nèi)保持接近恒定的電壓輸出（圖1）。結(jié)果，簡(jiǎn)單地將電壓測(cè)量值與電池中剩余的電荷相關(guān)聯(lián)的常用方法不能用于這些電池。

圖1：對(duì)于典型的鋰離子電池，電壓在很寬的電池容量范圍內(nèi)保持相對(duì)平坦，這簡(jiǎn)單地基于電池端電壓報(bào)告充電狀態(tài)的傳統(tǒng)方法變得復(fù)雜。 （由Infinite Power Solutions提供。）

因此，確定鋰離子電池的SOC主要是一個(gè)估算過(guò)程，并且仍然是積極研究的主題，以找到更好的SOC估算方法。對(duì)于諸如電動(dòng)車(chē)輛中使用的大型復(fù)雜電池組，需要最大化電池的成本效率需要基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，模糊邏輯和自適應(yīng)濾波器的非常復(fù)雜的SOC估計(jì)方法。然而，對(duì)于許多其他能量收集應(yīng)用，基于電流測(cè)量，電壓測(cè)量或基于模型的方法的不太復(fù)雜的方法提供了關(guān)于應(yīng)用所需的電池SOC的充分信息。

基于電流的方法

基于電流的方法通過(guò)測(cè)量放電和充電電流來(lái)跟蹤電池剩余電量的變化。在該方法中，稱(chēng)為庫(kù)侖計(jì)數(shù)，電池管理系統(tǒng)通過(guò)基于電流測(cè)量計(jì)算凈增加和減少來(lái)估計(jì)SOC。盡管該方法在理論上是高度精確的，但是電路的實(shí)際特性使其容易出錯(cuò)，特別是隨著時(shí)間的推移。電流傳感器精度，寄生效應(yīng)和電池老化的不確定性會(huì)引入隨時(shí)間累積的誤差，需要定期重新校準(zhǔn)。

由于這種方法的簡(jiǎn)單性和相對(duì)精確性，工程師將在各種IC中找到支持基于電流的SOC測(cè)量。例如，凌力爾特公司的LTC2941和LTC2942具有專(zhuān)用的庫(kù)侖計(jì)數(shù)電路。 LTC2942通過(guò)積分檢測(cè)電阻上的電池電流的電壓測(cè)量值來(lái)推斷電荷流量。 IC將SENSE +和SENSE-之間的差分電壓應(yīng)用于自動(dòng)調(diào)零差分模擬積分器，以將測(cè)量的電流轉(zhuǎn)換為電荷（圖2）。

圖2：電量計(jì)IC通常包括用于庫(kù)侖計(jì)數(shù)的專(zhuān)用電路。例如，在Linear LTC2942中，差分模擬積分器通過(guò)跟蹤外部檢測(cè)電阻上的電壓來(lái)測(cè)量電流。 （由Linear Technology提供。）

反過(guò)來(lái)，主機(jī)控制器讀取由可編程預(yù)分頻器提供的累積電荷寄存器（ACR）。預(yù)分頻器每次下溢或溢出時(shí)，ACR遞增或遞減1，因此積分時(shí)間可有效縮放因子M，可編程為1至128.該器件還包括一個(gè)14位Σ-ΔADC，用于監(jiān)視SENSE-的電池電壓，使工程師能夠采用基于電壓的方法進(jìn)行SOC估算。

基于電壓的方法

基于電壓的方法測(cè)量電池電壓并將該值與電荷水平相關(guān)聯(lián)。這里，電池管理系統(tǒng)測(cè)量連接到外部負(fù)載或開(kāi)路的電池的電壓。開(kāi)路電壓（OCV）的測(cè)量可以提供足夠精確的結(jié)果，但需要特殊考慮。

例如，鋰離子電池中的電流流動(dòng)導(dǎo)致電解質(zhì)中離子的不均勻分布。這種稱(chēng)為擴(kuò)散效應(yīng)的現(xiàn)象會(huì)在SOC估計(jì)中引入誤差。結(jié)果，電池管理系統(tǒng)可以通過(guò)在電池化學(xué)有機(jī)會(huì)平衡之后測(cè)量電池OCV來(lái)改善SOC估計(jì)，從而減少擴(kuò)散效應(yīng)。因此，在動(dòng)態(tài)應(yīng)用中使用OCV進(jìn)行SOC估計(jì)可能是有問(wèn)題的，其中波動(dòng)的負(fù)載電流導(dǎo)致電壓變化和相關(guān)的擴(kuò)散效應(yīng)。

雖然每種方法都有一些限制，但半導(dǎo)體制造商提供的解決方案包括片上硬件，旨在支持這些方法的組合，以改善SOC估算。在波動(dòng)電流或高電流狀態(tài)期間，庫(kù)侖計(jì)數(shù)方法跟蹤SOC的凈變化。在安靜期間，包括OCV測(cè)量在內(nèi)的基于電壓的方法有助于糾正庫(kù)侖計(jì)數(shù)累積的誤差。

與凌力爾特公司的LTC2941/LTC2942器件一起，工程師可以找到包括德州儀器BQ2700和STMicroelectronics STC3100和STC3105在內(nèi)的器件，其中包括硬件功能，使工程師能夠使用庫(kù)侖計(jì)數(shù)和電壓測(cè)量來(lái)更準(zhǔn)確地估算SOC。

TI BQ2700包括一個(gè)專(zhuān)用的全差分Δ-Σ庫(kù)侖計(jì)數(shù)器電路，用于測(cè)量充電和放電電流以及用于電壓和溫度測(cè)量的ADC。 BQ2700可自動(dòng)補(bǔ)償庫(kù)侖計(jì)和ADC的偏移，因此無(wú)需用戶(hù)校準(zhǔn)或補(bǔ)償。

在STMicroelectronics STC3100和STC3105的核心，庫(kù)侖計(jì)數(shù)電路在電池充電或高速放電時(shí)跟蹤SOC（圖3）。

圖3：STMicroelectronics ST3105采用專(zhuān)用數(shù)字庫(kù)侖計(jì)，包括一個(gè)28位累加器，可保持電流轉(zhuǎn)換的結(jié)果。 （由STMicroelectronics提供。）

為了使工程師能夠管理功耗，STC3105提供兩種功耗模式：每周期測(cè)量電流的工作模式，以及每隔一個(gè)周期僅測(cè)量電流的省電模式功率。

ST器件還包括一個(gè)14位sigma-delta A/D轉(zhuǎn)換器，用于電壓和電流測(cè)量。 STC3105每四秒測(cè)量一次電池電壓，在工作溫度范圍內(nèi)精度為+/- 0.5％，允許工程師使用這些結(jié)果使用OCV方法計(jì)算SOC。為了減輕擴(kuò)散效應(yīng)，該裝置包括電池電壓放松計(jì)時(shí)器。主處理器可以檢查此計(jì)時(shí)器，以確保電池處于靜止?fàn)顟B(tài)足夠長(zhǎng)的時(shí)間，以確保更準(zhǔn)確的SOC測(cè)量。

除了用于電池電壓測(cè)量的10通道12位Σ-ΔADC之外，Atmel ATmega406還提供專(zhuān)用的Σ-ΔADC，用于庫(kù)侖計(jì)數(shù)，并提供不同的測(cè)量模式，使工程師能夠交換測(cè)量精度以實(shí)現(xiàn)功耗。

在器件的瞬時(shí)電流轉(zhuǎn)換（ICC）模式下，ADC在大約3.9 ms內(nèi)產(chǎn)生13位帶符號(hào)結(jié)果，提供了一種在計(jì)算阻抗時(shí)大致同時(shí)測(cè)量電池電壓和放電電流的方法。器件的累積電流轉(zhuǎn)換（ACC）模式旨在提供高精度結(jié)果，即使在目標(biāo)應(yīng)用運(yùn)行并從電池吸取電流時(shí)也是如此。雖然轉(zhuǎn)換時(shí)間更長(zhǎng)（128-1000ms），但器件提供18位結(jié)果。最后，器件的常規(guī)電流條件（RCC）模式提供與ICC模式相同的精度和轉(zhuǎn)換時(shí)間，但與MCU的休眠模式配合使用可在應(yīng)用休眠模式期間提供結(jié)果，并且僅在電流電平超過(guò)可選閾值時(shí)才能提供結(jié)果。

工程師還可以找到基于結(jié)合庫(kù)侖計(jì)數(shù)和OCV測(cè)量的內(nèi)部算法估算SOC的Maxim DS2786等IC。當(dāng)電池正在充電或放電時(shí)，DS2786B可測(cè)量?jī)綦姾闪髁?。在靜默期間，DS2786B等待設(shè)定的弛豫時(shí)間，然后使用存儲(chǔ)在器件EEPROM中的OCV模型以及電池特性和應(yīng)用參數(shù)，通過(guò)庫(kù)侖計(jì)數(shù)調(diào)整其SOC估計(jì)值。該器件的EEPROM由SRAM陰影構(gòu)成，允許主機(jī)覆蓋OCV電壓曲線和比例因子，以適應(yīng)不同的電池類(lèi)型（圖4）。

圖4：DS2786將電池特性和其他參數(shù)存儲(chǔ)在使用影子SRAM的片上EEPROM中 - 使主機(jī)控制器能夠通過(guò)串行接口改變電池參數(shù)。 （由Maxim Integrated Products提供。）

基于模型的方法

IC制造商還提供基于圍繞鋰離子電池性能模型構(gòu)建的專(zhuān)有方法的SOC測(cè)量。例如，Maxim獨(dú)立的電量計(jì)器件（如DS2780）基于SOC估算各種電池和電路特性，包括溫度，負(fù)載電流和充電終止點(diǎn)。該設(shè)備使用集成溫度傳感器測(cè)量電池溫度，分辨率為每440毫秒0.125°C。

對(duì)于電流測(cè)量，DS2780通過(guò)測(cè)量低值電流檢測(cè)電阻上的壓降，持續(xù)測(cè)量在有源模式下流入和流出電池的電流。工程師可以通過(guò)編程檢測(cè)電阻溫度系數(shù)的值來(lái)校正電流檢測(cè)電阻的溫度變化。

此外，工程師可以對(duì)累積偏置寄存器進(jìn)行編程，以解決由于電池自放電和靜態(tài)偏移引起的庫(kù)侖計(jì)數(shù)中的典型誤差源。最后，這些測(cè)量值與存儲(chǔ)的特性相結(jié)合，作為片上算法的輸入，用于估算SOC和相關(guān)結(jié)果（圖5）。

圖5; Maxim DS2780電量監(jiān)測(cè)計(jì)IC算法結(jié)合了各種實(shí)時(shí)測(cè)量參數(shù)和存儲(chǔ)參數(shù)，可計(jì)算各種電池測(cè)量值，包括SOC。 （由Maxim Integrated Products提供。）

這些算法的基礎(chǔ)，DS2780使用分段線性模型存儲(chǔ)單元特征，該模型包括三條曲線 - 全空，有效空和備用空 - 每個(gè)都由四個(gè)線段構(gòu)成（圖6） 。每條曲線定義了由于溫度引起的各自充電點(diǎn)狀態(tài)的變化。 DS2780每440 ms處理一次測(cè)量和電池特性，并將結(jié)果存儲(chǔ)為片上寄存器中當(dāng)前溫度的函數(shù)。

圖6：在Maxim DS2780中，電池單元使用分段線性模型建模，該模型包括三條曲線，每條曲線由四個(gè)線段構(gòu)成。 （由Maxim Integrated Products提供。）

Maxim的MAX17040，MAX17048和MAX17049采用名為ModelGauge的鋰離子電池建模方案，可在各種充放電操作中連續(xù)測(cè)量SOC。這里，算法通過(guò)基于電池的阻抗和電池中的化學(xué)反應(yīng)速率模擬鋰離子電池的內(nèi)部非線性動(dòng)態(tài)來(lái)確定SOC。

Maxim算法無(wú)需外部電流檢測(cè)電阻和電池重新學(xué)習(xí)周期。在這種方法中，該設(shè)備采用了一種定制模型，該模型是通過(guò)在多個(gè)放電電流和溫度下表征電池而構(gòu)建的。 MAXIM ModelGauge IC帶有預(yù)裝模型，在許多情況下都足夠了。

德州儀器（TI）使用基于模型的SOC算法，稱(chēng)為阻抗軌道（Impedance Track）及其BQ27541，BQ20Z75和BQ34Z100電量監(jiān)測(cè)計(jì)IC。為了提高SOC精度，TI阻抗跟蹤算法利用三種類(lèi)型的信息：化學(xué)放電深度（DOD），電池電阻和外部因素，包括負(fù)載和溫度。

該算法在松弛電壓狀態(tài)下使用OCV測(cè)量，并根據(jù)存儲(chǔ)在閃存中的電池技術(shù)特定表計(jì)算DOD。工程師可以使用TI提供的固件為特定的電池化學(xué)成分設(shè)置Impedance Track器件。在放電期間更新電池電阻值，但算法延遲電阻更新以減少與響應(yīng)負(fù)載相關(guān)的瞬變的失真。

溫度值對(duì)算法至關(guān)重要，但由于溫度在放電過(guò)程中發(fā)生顯著變化，因此很難獲得溫度測(cè)量。因此，該算法預(yù)測(cè)未來(lái)的溫度，以允許在放電結(jié)束附近對(duì)電池阻抗進(jìn)行溫度校正。這里，算法在放電期間收集溫度依賴(lài)性數(shù)據(jù)并使用包括熱交換系數(shù)和熱時(shí)間常數(shù)的結(jié)果來(lái)更新其熱模型參數(shù)。在放松期間，該算法還測(cè)量外部溫度并使用該結(jié)果來(lái)基于當(dāng)前溫度定義溫度分布模型并延伸到放電結(jié)束。

結(jié)論

確定鋰離子電池中的SOC至多具有挑戰(zhàn)性，通常依賴(lài)于高度復(fù)雜的方法來(lái)確保電動(dòng)汽車(chē)中使用的復(fù)雜電池管理系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。然而，對(duì)于許多應(yīng)用，基于電流測(cè)量，電壓測(cè)量，細(xì)胞表征模型或每種組合的簡(jiǎn)單算法提供足夠精確的結(jié)果。專(zhuān)業(yè)的電量計(jì)IC在許多變型中實(shí)施這些方法，為工程師提供了所需的廣泛選項(xiàng)，可通過(guò)電池管理系統(tǒng)輕松實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)，從而能夠準(zhǔn)確估算鋰離子電池SOC。