鋰電池荷電狀態(tài) (SOC) 的估計(jì)在技術(shù)上是困難的，尤其是在電池沒有完全充電或完全放電的應(yīng)用中。這種應(yīng)用是混合動(dòng)力電動(dòng)汽車 (HEV)。挑戰(zhàn)源于鋰電池具有非常平坦的電壓放電特性。從 70% SOC 到 20% SOC，電壓幾乎沒有變化。事實(shí)上，溫度變化引起的電壓變化類似于放電引起的電壓變化，因此如果要從電壓導(dǎo)出SOC，就必須對(duì)電池溫度進(jìn)行補(bǔ)償。

圖 1：鋰電池計(jì)量

另一個(gè)挑戰(zhàn)是電池容量由最低容量電池的容量決定，因此不應(yīng)根據(jù)電池端電壓來判斷 SOC，而應(yīng)根據(jù)最弱電池的端電壓來判斷。這一切聽起來有點(diǎn)太難了。那么為什么我們不簡單地保持流入電池的電流總量并平衡它與流出的電流呢？這被稱為庫侖計(jì)數(shù)，聽起來很簡單，但這種方法也存在許多困難。

困難在于：

電池不是完美的蓄電池。他們從不退還你投入的東西。充電過程中存在漏電流，漏電流隨溫度、充電速率、充電狀態(tài)和老化而變化。???????

電池的容量也隨放電速率呈非線性變化。放電越快，容量越低。從 0.5C 放電到 5C 放電，降低可能高達(dá) 15%。

電池具有在較高溫度下顯著增加的泄漏電流。電池中的內(nèi)部電池可能比外部電池運(yùn)行得更熱，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)比其他鋰化學(xué)物質(zhì)受到的影響更大。????????

為了彌補(bǔ)這種不平等，在電池內(nèi)采用了電池單元平衡。這種額外的漏電流在電池外部是無法測量的。

電池容量會(huì)隨著電池的使用壽命和時(shí)間的推移而穩(wěn)步降低。

電流測量中的任何小偏移都會(huì)被積分，隨著時(shí)間的推移可能會(huì)變成一個(gè)很大的數(shù)字，嚴(yán)重影響 SOC 的準(zhǔn)確性。

除非進(jìn)行定期校正，否則上述所有情況都會(huì)導(dǎo)致精度隨時(shí)間發(fā)生漂移，但只有在電池幾乎放電或接近充滿時(shí)才有可能進(jìn)行校正。在 HEV 應(yīng)用中，最好將電池保持在約 50% 的電量，因此可靠校正計(jì)量精度的一種可能方法是定期對(duì)電池充滿電。純電動(dòng)汽車會(huì)定期充電至充滿或接近充滿，因此基于庫侖計(jì)數(shù)的計(jì)量可以非常準(zhǔn)確，尤其是在其他電池問題得到補(bǔ)償?shù)那闆r下。

庫侖計(jì)數(shù)獲得良好精度的關(guān)鍵是在寬動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)進(jìn)行良好的電流檢測。

測量電流的傳統(tǒng)方法對(duì)我們來說是一個(gè)分流器，但是當(dāng)涉及更高的 (250A+) 電流時(shí)，這些方法會(huì)下降。由于功耗問題，分流器需要低電阻。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(dòng)態(tài)范圍。

假設(shè)電池容量為 100Ahr，粗略估計(jì)可接受的積分誤差。

4 安培的錯(cuò)誤將在一天內(nèi)產(chǎn)生 100% 的錯(cuò)誤，或者 0.4A 的錯(cuò)誤將在一天內(nèi)產(chǎn)生 10% 的錯(cuò)誤。

4/7A 錯(cuò)誤會(huì)在一周內(nèi)產(chǎn)生 100% 的錯(cuò)誤，或者 60mA 錯(cuò)誤會(huì)在一周內(nèi)產(chǎn)生 10% 的錯(cuò)誤。

4/28A 錯(cuò)誤會(huì)在一個(gè)月內(nèi)產(chǎn)生 100% 的錯(cuò)誤，或者 15mA 錯(cuò)誤會(huì)在一個(gè)月內(nèi)產(chǎn)生 10% 的錯(cuò)誤，這可能是可以預(yù)期的最佳測量，不會(huì)因充電或接近完全放電而重新校準(zhǔn).

現(xiàn)在讓我們看看測量電流的分流器。對(duì)于 250A，一個(gè) 1m 歐姆的分流器將在高側(cè)并產(chǎn)生 62.5W。然而，在 15mA 時(shí)，它只會(huì)產(chǎn)生 15 微伏，這會(huì)在本底噪聲中丟失。動(dòng)態(tài)范圍為 250A/15mA = 17,000:1。如果 14 位 A/D 轉(zhuǎn)換器能夠真正“看到”噪聲、偏移和漂移中的信號(hào)，則需要一個(gè) 14 位 A/D 轉(zhuǎn)換器。一個(gè)重要的偏移原因是熱電偶產(chǎn)生的電壓和接地回路偏移。

從根本上說，沒有一個(gè)傳感器可以在這種動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)測量電流。需要高電流傳感器來測量來自牽引和充電示例的較高電流，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(huì)“看到”高電流，因此除了飽和之外，它不能被這些損壞或損壞。這立即計(jì)算出分流。

一個(gè)解法

一個(gè)非常合適的傳感器系列是開環(huán)霍爾效應(yīng)電流傳感器。這些設(shè)備不會(huì)被高電流損壞，而且 Raztec 開發(fā)了一個(gè)傳感器范圍，它實(shí)際上可以通過單次導(dǎo)體測量毫安范圍內(nèi)的電流。100mV/AT 的傳遞函數(shù)是實(shí)用的，因此 15mA 電流將產(chǎn)生可用的 1.5mV。通過使用最好的可用磁芯材料，還可以實(shí)現(xiàn)單毫安范圍內(nèi)的極低剩磁。在 100mV/AT 時(shí)，飽和將發(fā)生在 25 安培以上。較低的編程增益當(dāng)然允許較高的電流。

圖 2：SOC 算法示意圖

使用傳統(tǒng)的高電流傳感器測量高電流。從一個(gè)傳感器切換到另一個(gè)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。它們很容易適應(yīng)多種機(jī)械配置和電流范圍。這些設(shè)備通過采用具有卓越性能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要求的非常高的電流動(dòng)態(tài)范圍的信噪比。

然而，極端精確將是多余的，因?yàn)殡姵乇旧聿皇蔷_的庫侖計(jì)數(shù)器。充放電之間 5% 的誤差對(duì)于存在進(jìn)一步不一致的電池來說是典型的?？紤]到這一點(diǎn)，可以使用使用基本電池模型的相對(duì)簡單的技術(shù)。該模型可以包括空載端電壓與容量、充電電壓與容量、放電和充電電阻，這些電阻可以隨容量和充電/放電循環(huán)進(jìn)行修改。需要建立合適的測量電壓時(shí)間常數(shù)以適應(yīng)耗盡和恢復(fù)電壓時(shí)間常數(shù)。

優(yōu)質(zhì)鋰電池的一個(gè)顯著優(yōu)勢是它們在高放電率下的容量損失很小。這一事實(shí)簡化了計(jì)算。它們還具有非常低的漏電流。系統(tǒng)泄漏可能更高。

這種技術(shù)在建立合適的參數(shù)后，可以在實(shí)際剩余容量的幾個(gè)百分點(diǎn)內(nèi)實(shí)現(xiàn)充電狀態(tài)估計(jì)，而無需進(jìn)行庫侖計(jì)數(shù)。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(duì)于庫侖計(jì)數(shù)至關(guān)重要。SOC 監(jiān)控器內(nèi)應(yīng)提供在零電流條件下將傳感器偏移校準(zhǔn)為零的規(guī)定。通常，只有在工廠安裝期間才可行。但是，可能存在確定零電流的系統(tǒng)，因此可以自動(dòng)重新校準(zhǔn)偏移。這是一種理想的情況，因?yàn)榭梢赃m應(yīng)漂移。

不幸的是，所有傳感器技術(shù)都會(huì)產(chǎn)生熱偏移漂移，電流傳感器也不例外。我們現(xiàn)在可以看到這是一個(gè)關(guān)鍵的品質(zhì)。通過在 Raztec 使用優(yōu)質(zhì)組件和精心設(shè)計(jì)，我們開發(fā)了一系列熱穩(wěn)定電流傳感器，其漂移范圍為 <0.25mA/K。對(duì)于 20K 的溫度變化，這可能會(huì)產(chǎn)生 5mA 的最大誤差。

包含磁路的電流傳感器的另一個(gè)常見誤差來源是剩磁引起的磁滯誤差。這通常高達(dá) 400mA，這使得此類傳感器無法用于電池監(jiān)控。通過選擇最好的磁性材料，Raztec 已將這種質(zhì)量降低到 20mA。這個(gè)錯(cuò)誤實(shí)際上也隨著時(shí)間的推移而減少。如果需要更少的誤差，消磁是可能的，但會(huì)增加相當(dāng)多的復(fù)雜性。

較小的誤差是傳遞函數(shù)校準(zhǔn)隨溫度的漂移，但對(duì)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。

最好的 SOC 估計(jì)方法是結(jié)合使用穩(wěn)定的空載電壓、由 IXR 補(bǔ)償?shù)碾姵仉妷?、庫侖?jì)數(shù)和參數(shù)的溫度補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)的組合。例如，通過估計(jì)電池空載或低載電壓的 SOC 可以忽略長期積分誤差。

　審核編輯：湯梓紅