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(duì)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(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)（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(lèi)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(gè)挑戰(zhàn)是這樣一個(gè)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(lái)判斷SOC，而應(yīng)該從最弱的電池的端子電壓來(lái)判斷。這一切聽(tīng)起來(lái)有點(diǎn)太難了。那么，為什么不簡(jiǎn)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(chēng)為庫(kù)侖計(jì)數(shù)，聽(tīng)起來(lái)很簡(jiǎn)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(huì)發(fā)生電流泄漏，并且泄漏會(huì)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(xiàn)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(huì)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(guò)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(wú)法測(cè)量到這種額外的泄漏電流。

隨著電池壽命的增長(zhǎng)，電池容量會(huì)逐漸減少。

電流測(cè)量中的任何小偏差都將被積分，并且隨著時(shí)間的流逝會(huì)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(huì)導(dǎo)致精度隨時(shí)間的變化，但是只有在電池快要放電或快滿(mǎn)時(shí)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(duì)電池進(jìn)行完全充電。純電動(dòng)汽車(chē)會(huì)定期充滿(mǎn)電或接近充滿(mǎn)電，因此基于庫(kù)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(wèn)題的情況下。

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

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

通過(guò)假設(shè)使用100Ahr電池來(lái)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(cuò)誤將在一周內(nèi)產(chǎn)生100％的誤差，或60mA錯(cuò)誤將在一周內(nèi)產(chǎn)生10％的誤差。

4 / 28A錯(cuò)誤將在一個(gè)月內(nèi)產(chǎn)生100％的誤差，或者15mA錯(cuò)誤將在一個(gè)月內(nèi)產(chǎn)生10％的誤差，這可能是無(wú)法通過(guò)充電或接近完全放電來(lái)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(lái)測(cè)量電流。對(duì)于250A，高端將有一個(gè)1m歐姆的分流器，并產(chǎn)生62.5W。但是，在15mA的電流下，它只會(huì)產(chǎn)生15微伏的電壓，這會(huì)在本底噪聲中損失掉。動(dòng)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(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)生的電壓和接地環(huán)路偏移。

從根本上講，在這種動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，沒(méi)有任何一個(gè)傳感器可以實(shí)際測(cè)量電流。需要高電流傳感器來(lái)測(cè)量來(lái)自示例牽引和充電的較高電流，而需要低電流傳感器來(lái)測(cè)量來(lái)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”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(gè)解法

一個(gè)非常合適的傳感器系列是開(kāi)環(huán)霍爾電流傳感器。這些設(shè)備不會(huì)受到大電流的損壞，Raztec已開(kāi)發(fā)出一種傳感器范圍，該傳感器范圍實(shí)際上可以通過(guò)一次導(dǎo)體測(cè)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(guò)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(shí)，高于25安培時(shí)將發(fā)生飽和。較低的編程增益當(dāng)然會(huì)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(cè)量大電流。從一個(gè)傳感器切換到另一個(gè)傳感器需要簡(jiǎn)單的邏輯。

Raztec新推出的無(wú)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(xiàn)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(guò)采用性能卓越的新一代磁場(chǎng)傳感器而變得實(shí)用。

兩種傳感器類(lèi)型仍然有利于管理具有很高動(dòng)態(tài)電流范圍的信噪比。

但是，由于電池本身不是精確的庫(kù)侖計(jì)數(shù)器，因此極高的精度將是多余的。對(duì)于電池，充放電之間的誤差通常為5％，這會(huì)引發(fā)進(jìn)一步的不一致性。考慮到這一點(diǎn)，可以使用使用電池基本模型的相對(duì)簡(jiǎn)單的技術(shù)。該模型可以由空載的端子電壓對(duì)容量，充電電壓對(duì)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(shí)間常數(shù)，需要建立合適的測(cè)量電壓時(shí)間常數(shù)。

優(yōu)質(zhì)鋰電池的一個(gè)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(jiǎn)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(huì)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(kù)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(kù)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(kù)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(chǎng)安裝過(guò)程中執(zhí)行此操作是可行的。但是，在某些系統(tǒng)中，肯定會(huì)存在零電流，因此可以自動(dòng)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。現(xiàn)在我們可以看到，這是至關(guān)重要的質(zhì)量。通過(guò)在Raztec使用優(yōu)質(zhì)的組件和精心的工程設(shè)計(jì)，我們開(kāi)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(duì)于20K的溫度變化，這可能會(huì)產(chǎn)生5mA的最大誤差。

包括磁路的電流傳感器的另一個(gè)常見(jiàn)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(lèi)傳感器無(wú)法用于電池監(jiān)控。通過(guò)選擇最好的可用磁性材料，Raztec的質(zhì)量已降至20mA。該錯(cuò)誤實(shí)際上也隨著時(shí)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(huì)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(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(guò)IXR補(bǔ)償?shù)碾姵仉妷海瑤?kù)侖計(jì)數(shù)和參數(shù)的溫度補(bǔ)償。例如，通過(guò)從電池空載或低載電壓估算SOC可以忽略長(zhǎng)期積分誤差。

編輯：hfy