锂电池的充电状态（SOC）估算、库仑计数和电流感应

锂电池的充电状态（SOC）的估算在技术上是困难的，特别是在未对电池完全充电或完全放电的应用中。这样的应用是混合动力电动汽车（HEV）。挑战源于锂电池具有非常平坦的电压放电特性这一事实。从70％SOC到20％SOC的电压变化很小。实际上，由于温度变化引起的电压变化类似于由于放电引起的电压变化，因此，如果要从电压得出SOC，则必须补偿电池温度。

图1：锂电池电量计

另一个挑战是这样一个事实，即电池容量由最低容量的电池的容量决定，因此，不应从电池的端子电压来判断SOC，而应该从最弱的电池的端子电压来判断。这一切听起来有点太难了。那么，为什么不简单地将电池的总运行电流保持在电池中，并与流出的电流保持平衡呢？这被称为库仑计数，听起来很简单，但是这种方法也有很多困难。

困难是：

电池不是完美的蓄电池。他们从不退还您投入他们的东西。充电期间会发生电流泄漏，并且泄漏会随温度，充电速率，充电状态和使用年限而变化。       

电池的容量也随放电速率非线性变化。放电越快，容量越低。从0.5C放电到5C放电的降低幅度可能高达15％。

电池的泄漏电流在较高温度下会大大增加。电池中的内部电池可能比外部电池更热，因此通过电池的电池泄漏将是不平等的。

容量也是温度的函数。某些锂化学物质比其他化学物质受到的影响更大。        

为了补偿这种不平等，在电池内采用了电池单元平衡。电池外部无法测量到这种额外的泄漏电流。

随着电池寿命的增长，电池容量会逐渐减少。

电流测量中的任何小偏差都将被积分，并且随着时间的流逝会变得很大，从而严重影响SOC的精度。

除非进行定期校正，否则所有以上所有这些都会导致精度随时间的变化，但是只有在电池快要放电或快满时才可以校正。在HEV应用中，最好将电池保持在约50％的电量，因此可靠地校正计量精度的一种可能方法是定期对电池进行完全充电。纯电动汽车会定期充满电或接近充满电，因此基于库仑计数的计量可能非常准确，尤其是在补偿了其他电池问题的情况下。

库仑计数实现高精确度的关键是在宽动态范围内实现良好的电流感测。

对我们而言，传统的电流测量方法是分流器，但是当涉及较高（250A +）电流时，这些分流器会掉下来。由于功耗问题，分流器必须具有低电阻。低电阻分流器不适用于测量低（50mA）电流。这立即带来了最重要的问题：需要测量的最小和最大电流是多少？这称为动态范围。

通过假设使用100Ahr电池来粗略估算可接受的积分误差。

4安培的误差将在一天之内产生100％的误差，或者0.4A的误差将在一天中产生10％的误差。

4 / 7A错误将在一周内产生100％的误差，或60mA错误将在一周内产生10％的误差。

4 / 28A错误将在一个月内产生100％的误差，或者15mA错误将在一个月内产生10％的误差，这可能是无法通过充电或接近完全放电来重新校准的计量的最佳结果。

现在让我们看一下分流器来测量电流。对于250A，高端将有一个1m欧姆的分流器，并产生62.5W。但是，在15mA的电流下，它只会产生15微伏的电压，这会在本底噪声中损失掉。动态范围为250A / 15mA = 17,000：1。如果它实际上可以“看到”噪声，偏移和漂移之间的信号，则需要一个14位A / D转换器。一个重要的偏移原因是热电偶产生的电压和接地环路偏移。

从根本上讲，在这种动态范围内，没有任何一个传感器可以实际测量电流。需要高电流传感器来测量来自示例牵引和充电的较高电流，而需要低电流传感器来测量来自例如附件和任何零电流状态的电流。由于低电流传感器也会“看到”大电流，因此除饱和以外，一定不要被这些电流损坏或破坏。这立即算出分流器。

一个解法

一个非常合适的传感器系列是开环霍尔电流传感器。这些设备不会受到大电流的损坏，Raztec已开发出一种传感器范围，该传感器范围实际上可以通过一次导体测量毫安范围内的电流。100mV / AT的传递函数很实用，因此15mA的电流将产生可用的1.5mV。通过使用最好的可用磁芯材料，也可以实现单毫安范围内的低剩磁。在100mV / AT时，高于25安培时将发生饱和。较低的编程增益当然会允许较高的电流。

图2：以图解方式描绘的SOC算法

用常规的大电流传感器测量大电流。从一个传感器切换到另一个传感器需要简单的逻辑。

Raztec新推出的无芯传感器系列是高电流传感器的绝佳选择。这些器件具有出色的线性度，稳定性和零滞后性。它们很容易适应多种机械配置和电流范围。这些设备通过采用性能卓越的新一代磁场传感器而变得实用。

两种传感器类型仍然有利于管理具有很高动态电流范围的信噪比。

但是，由于电池本身不是精确的库仑计数器，因此极高的精度将是多余的。对于电池，充放电之间的误差通常为5％，这会引发进一步的不一致性。考虑到这一点，可以使用使用电池基本模型的相对简单的技术。该模型可以由空载的端子电压对容量，充电电压对容量，放电和充电电阻组成，可以根据容量和充电/放电周期进行修改。为了适应耗尽和恢复电压时间常数，需要建立合适的测量电压时间常数。

优质锂电池的一个显着优点是，在高放电速率下，锂电池的容量损失很小。这一事实简化了计算。而且它们具有非常低的泄漏电流。系统泄漏可能会更高。

在建立合适的参数之后，该技术可以在不进行库仑计数的情况下，在实际剩余容量的百分之几之内实现荷电状态估计。电池成为库仑计数器。

电流传感器内的误差源

如上所述，偏移误差对于库仑计数至关重要。SOC监控器内应规定在零电流条件下将传感器偏移校准为零。通常，仅在工厂安装过程中执行此操作是可行的。但是，在某些系统中，肯定会存在零电流，因此可以自动重新校准偏移量。这是理想的情况，因为可以容纳漂移。

不幸的是，所有传感器技术都有热产生的偏移漂移，电流传感器也不例外。现在我们可以看到，这是至关重要的质量。通过在Raztec使用优质的组件和精心的工程设计，我们开发了一系列非常热稳定的电流传感器，其漂移范围小于0.25mA / K。对于20K的温度变化，这可能会产生5mA的最大误差。

包括磁路的电流传感器的另一个常见误差源是由于剩磁引起的磁滞误差。通常最高可达400mA，这使得此类传感器无法用于电池监控。通过选择最好的可用磁性材料，Raztec的质量已降至20mA。该错误实际上也随着时间而减少。如果需要更少的误差，则可以进行消磁，但确实会增加相当大的复杂性。

较小的误差是传递函数校准随温度的漂移，但是对于质量传感器，这种影响远小于电池性能随温度的漂移。

最佳的SOC估计机制是结合多种技术，例如使用稳定的空载电压，通过IXR补偿的电池电压，库仑计数和参数的温度补偿。例如，通过从电池空载或低载电压估算SOC可以忽略长期积分误差。

编辑：hfy