电池电量监测基础知识

电池管理系统基础知识TinoPanBMSFAENov.2015什么是电池管理系统电池管理系统（BATTERYMANAGEMENTSYSTEM），电动汽车电池管理系统（BMS）是连接车载动力电池和电动汽车的重要一环。其主要功能包括：电池电量监测电池状态估计在线诊断与预警充、放电与预充控制电池均衡管理热管理什么是电池电量监测技术?电池电量监测是一种用于在所有的系统运行及空闲情况下预测电池容量的技术。电池容量百分比至电量耗尽/充满的时间毫安时(mAh)瓦时(Wh)通话时间、闲置时间，等可获得用于反映电池健康状况及安全诊断的其他数据。健康状态满充电容量73%运行时间6:23概要电池化学成分基本知识传统的电池电量监测方法基于电压库仑计数阻抗跟踪技术及其优势电池电量监测基础知识

第一部分：电池化学成分基本知识锂离子电池放电曲线：最优运行时间随着放电速率、温度和老化情况改变关断电压可提供尽可能长的运行时间电池化学容量QmaxEDV=每节电池3.0VQmax

电池容量(Qmax)：在达到放电终止电压(EDV)之前可从满充电电池提取的

电荷量。EDV是应用或电池化学成分可接受的最小电压。负载电流：<0.1CCBATRBAT电池容量：1C放电速率1C：在一小时内将一节电池完全放电所需的电流示例：2200mAh电池，

1C放电速率：2200mA，1小时0.5C速率：1100mA，2小时3.6V(电池额定电压)12345603.03.54.04.5容量，Ah电压，V4.23.63.02.4电池电压(V)开路电压(OCV)EDVQmaxI•RBATQuse放电电流较高时将更早地达到EDV。可用容量Quse<QmaxRBATOCV+-I+-V=OCV

-I*RBAT可用容量QuseQmaxQuse电池电阻?阻抗=f(T,SOC和老化)电阻在100次充放电之后将增加一倍电池之间的电阻偏差为10-15%不同制造商的电池电阻偏差可达10-15%电荷状态(SOC)4.23.63.02.4电池电压(V)OCVEDVQmaxQ状态A对于满充电电池，SOC=1(DOD=0)

对于完全放电电池，SOC=0(DOD=1)

阻抗在很大程度上取决于温度、电荷状态及老化

阻抗与温度和DOD有关完全放电满充电DOD=1-SOC(电荷状态)SOC=1(满充电电池)SOC=0(完全放电电池)SOC：电荷状态DOD：放电深度阻抗和容量随老化而改变在100次充电之后化学容量减少3-5%电池阻抗随老化而增加阻抗在100次充电之后几乎增加一倍。020406080100电池容量%4.23.923.633.353.072.782.50电池电压(V)第1次充电第100次充电Rbat新电池的阻抗差异低频(1mHz)阻抗偏差为15%在1C速率放电、40-mV压差下，会引起±26%的最大SOC误差00.0620.0840.110.130.15R(Z)--Im(Z)-0.050.02501mHz1kHz制造商11mHz1kHz00.0420.0640.0860.110.13R(Z)--Im(Z)-0.050.0250制造商2LC1RSERRhfR1R2C2I•RBAT4.23.63.02.4电池电压(V)OCVEDVQmax状态ARM1RM2电池剩余容量(RM)RM在不同的放电速率下是不一样的。RM：从当前状态至EDV的电池容量电池化学成分概要Qmax=电池化学容量(无负载)Quse=可用容量(与负载有关)电池电阻和负载产生I-R压降SOC=电荷状态(%，取决于OCV)RM=剩余容量(取决于负载)电池老化会影响阻抗和容量电池电量监测基础知识

第二部分：传统的电池电量监测方法目标：充分利用可用的电池容量+0%20%40%60%80%100%容量充电电压容差由于电量监测不准确所导致的关断不确定性

可用容量实际上也许只用了80-90%！

高准确度的电量监测可延长电池的运行时间实际的有效容量电量监测计有哪些功能呢？电池与用户之间的通信测量：电池电压充电或放电电流温度提供：电池运行时间和剩余容量电池健康状况信息总体电池电源管理（工作模式）如何实现电量监测计?基于电压：SOC=f(VBAT)库仑计数：阻抗跟踪：实时电阻测量?基于电压的电量监测计4.23.43.0电池电压(V)开路电压(OCV)EDV电池容量QmaxQuse3.8

应用：低端蜂窝电话、数码相机(DSC)…

脉动的负载会导致电池容量指示条上下浮动

仅在非常低的电流下准确I•RBAT*两项测试均采用C/3放电速率电流完全弛豫需要大约2000秒的时间在不同的时刻具有不同的电压20至3000秒之间的电压差异超过20mV电池–瞬态响应3.8303.8553.8803.90501000200030004000时间（秒）电池电压(V)LC1RSERRhfR1R2C20500100015002000250030003500

时间（秒）3.2503.2753.3003.325电池电压(V)负载移除负载移除基于电压之电量监测的SOC误差新电池的误差误差随老化的演变情况1511.257.53.750020406080100SOC%SOC误差%20-mV弛豫测量误差15%的电池间电阻容差

每充电100

次电池的电阻将增加一倍SOC误差%020406080100SOC%1007550250?优势无需完全放电就能进行学习自放电无需校正在小负载电流条件下非常准确劣势由于内部电池阻抗的原因，准确度欠佳阻抗与温度、老化和电荷状态之间存在函数关系基于电压的电量监测计电池处于满充电状态在放电过程中容量被积分每次发生完全放电时Qmax都被更新基于库仑计数的电量监测EDV：放电终止电压Q01234563.03.54.04.5容量，Ah锂离子电池单元电压EDVQmax0.2C放电速率在完全放电之前进行学习当达到0%容量时再学习就太迟了针对给定的剩余容量百分比来设定电压门限7%、3%剩余容量时的真实电压取决于电流、温度和阻抗012345633.544.5电压(V)EDV00%3%7%EDV1EDV2容量Q(Ah)012345633.544.5电压(V)7%CEDV2(I1)容量Q(Ah)经补偿的放电终止电压(CEDV)CEDV=OCV(T,SOC)-I*R(T,SOC)30%CEDV2(I2)7%

建模：R(SOC,T)，适用于新电池

计算任意电流(I)和温度(T)条件下的CEDV2(7%)和CEDV1(3%)门限

对于老化的电池则不准确基于库仑计数的电量监测?与老化相关的主要参数：阻抗优势不受电压测量失真的影响准确度由电流积分硬件确定监测误差：3-10%（取决于工作条件和用途）劣势需要学习周期以更新Qmax

电池容量随老化而下降Qmax减少幅度：3-5%（100次充电）在不学习的情况下，每充电10次监测误差将增加1%自放电必须建模：不准确

在没有负载的情况下（弛豫）可从OCV实现非常准确的电量监测对于典型电量监测计的优势4.23.63.02.4电池电压(V)开路电压(OCV)EDV电池容量QmaxI•RBATQuse

在有负载的情况下，可利用库仑计数实现非常准确的监测问题考察4.23.63.02.4电池电压(V)开路电压(OCV)EDV电池容量QmaxI•RBATQuse

基于电压的电量监测计：V=OCV(T,SOC)-IR(T,SOC,老化)

电流积分电量监测计：CEDV=OCV(T,SOC)-IR(T,SOC,老化)问题：电池阻抗电池电量监测基础知识

第三部分：阻抗跟踪技术的优势基于电压的电量监测：可在无负载条件下提供准确的监测基于库仑计数的电量监测：可在有负载条件下提供准确的监测整合了基于电压和基于电流之监测方法的优势实时阻抗测量采用开路电压和阻抗信息来计算给定平均负载条件下的剩余运行时间。

ImpedanceTrackTM

电量监测V=OCV(T,SOC)-

I*R(T,SOC,Aging)对于所有被测试制造商的产品，OCV曲线皆很相似大多数的电压偏移<5mV平均SOC预测误差<1.5%对于来自不同制造商的同种化学成分电池，可以使用相同的数据库OCV=f(SOC,T)曲线的比较500SOC%155-5-15电压偏移(mV)1007550250SOC误差%41.33-1.33-41007550250SOC%4.23.933.673.4开路电压(OCV)曲线怎样测量OCV?OCV测量允许SOC具有0.1%的最大误差取消了自放电估测电池电压(V)00.51.01.52.02.5时间（小时）4.24.14.03.93.83.7系统接通系统接通系统关断怎样测量阻抗?数据闪存包含一个固定的表格：OCV=f(SOC,T)IT算法：充电和放电期间的实时测量和计算。1007550250SOC%4.23.933.673.4开路电压曲线OCVVBATIRBATV=OCV(T,SOC)-

I*R(T,SOC,老化)对于传统电池容量学习的问题+装运完全放电+完全充电+半放电

需要采用许多的测试设备并花费大量的时间。

用户有可能永远无法实现电池的完全放电以学习容量。

在不学习的情况下，每充电10次监测误差就将增加1%。传递的电荷数量由精确的库仑计数来确定SOC1和SOC2利用其OCV进行测量这种方法适用于充电或放电过程在未完全放电的情况下学习QmaxQ电池电压(V)00.51.01.52.02.53.0时间（小时）4.24.14.03.93.8P1P2充电的起点测量点OCV00.51.01.52.02.53.0时间（小时）QP2P1放电的起点测量点OCV.current........电阻更新总容量更新电流积分积分模式与相关模式之间的合作放电弛豫充电电流积分电压相关SOC

更新阻抗跟踪电量监测计优点整合了基于电压和库仑计数这两种电量监测方法各自的优势在小电流(OCV)和大负载电流时均可提供准确监测弃用不准确的自放电模型（采用OCV读取）对于新电池和老化电池可提供非常准确的电量监测容量学习无需满充电和完全放电电量监测的好处可准确地报告电池的剩余运行时间可提供更好的电源管理可获得更长的电池运行时间电源管理准确度：关断所需的保护间隔较小可根据阻抗随温度、放电速率和老化情况改变关断电压按序关断当电池失效时可利用储备能量自动地将数据保存至闪存电量监测可实现移动应用运行时间比较示例

ImpedanceTrackTM监测计关断与OCV关断点的比较

不具备准确监测计的系统简单地在某个固定电压下关断智能手机、平板电脑、便携式医疗、数码相机等需要备用电池能量来完成关断任务许多设备都在3.5V或3.6V时关断，以顾及备用容量最差的情况在此比较当中使用的是3.5V关断监测计将计算剩余容量并改变关断电压，直到在所有情况下均确切地留有备用容量为止。使用10mAH备用容量电池的温度和老化状况是变化的电量监测–ImpedanceTrackTM技术的优势动态（学习）能力应用中的温度可变性IT考虑到了由于温度的上升/下降所引起的电池阻抗变化IT引入了热模拟以针对自发热进行调节负载变化IT将跟踪由于高负载尖峰所引起的电压降老化电池IT拥有针对因电池老化所致的可用容量变化进行调节的能力延长运行时间借助基于IT的监测计可采用较低的终止电压灵活性电池特性分析主机系统无需执行任何计算或监测算法未得到使用的电池容量的含义

电池成本：每100mAh容量的平均成本为0.15美元较低的终止电压(TV)=较大的电池容量对于新电池，TV降低500mV可增加大约5%的容量→就1500mAh电池而言节省了约0.10美元对于老化电池，TV降低500mV可增加大约50%的容量→可节省约1.00美元（就1500mAh电池而言）并延长运行时间！为制造商提供了节省成本的机会，同时还延长了最终用户的电池运行时间由于监测不准确而造成的损失假设客户每天进行一次充放电→3个月的使用时间=90天，大约充电90次→电池内部阻抗几乎增加一倍→出现电池老化的情况未采用阻抗跟踪的监测计→由于电池逐步老化的原因而产生了不准确的监测结果→短得多的运行时间乃至发生系统崩溃运营商的电池质保期可能为一年甚至两年。客户由于故障监测结果的缘故而将整部设备退货→质保期内的退货将使公司蒙受经济损失基于阻抗跟踪的监测计能够延长电池运行时间，并避免发生因故障监测结果所致的一些代价高昂的退货总结就便携式电子产品而言，准确的监测计对于获得长运行时间的重要性丝毫不亚于降低设计方案的功耗及采用强健的电池。可用的电量监测计有很多种，它们采用了不同的监测方法和不同的折衷方案。TI

多节电池解决方案介紹(电池电量检测与监视、电池保护)LithiumChemistryBatteryManagement

HCEProduct–SolutionsMap7cell✓Printer5,6cell

E-bike16cell✓Scooter9,10cell12cell✓Vacuum✓ToyOthersEV-HEV-PHEVUPSPowerTools>20cell8cell3,4cellApplicationbq77908A,bq77910A,bq77PL15x,bq76930bq76PL536A/bq76PL455Abq76925,bq76920Bq76920,bq76930,bq76940bq76PL536A/bq76PL455Abq76PL536A/bq76PL455ABq76920,bq76930,bq76940Monitoring–Balancing–Protecting(1/3page)主动保护与电池平衡可单机工作4to10LiCells包含磷酸铁锂电池电池掉电检测OV,UV,OT,SC,OCD,OCC检测电阻式平衡-50mA

内部均衡电流NFET

驱动提供3.3V稳压输出38-pinSSOP电池过压保护3to6LiCells可堆栈to18+Cells包含磷酸铁锂电池NFET

驱动精准过压检测电池平衡检测可回复式或栓锁输出超低自耗电16-pinSSOPNotes:

OV=过压,UV=欠压,OT=过温,SC=短路,OP=电池掉电检测,OCD=放电过电流,OCC=充电过电流,IT=阻抗追踪技术bq77910AProtectorFETDriveBalancingbq77PL157ProtectorFETDrive模拟前端与电池平衡需要主机控制3to6LiCells包含磷酸铁锂电池电池掉电检测电阻式平衡可读出电池电压可读出电流可读出温度中断与模拟输出提供3.3V稳压输出20-pinSSOPbq76925AFEBalancingbq77908AProtectorFETDriveBalancing主动保护与电池平衡可单机工作4to8LiCells包含磷酸铁锂电池电池掉电检测OV,UV,OT,SC,OCD,OCC检测电阻式平衡-50mA

内部均衡电流NFET

驱动提供3.3V稳压输出38-pinSSOP量产评估可提供样品新定义Monitoring–Balancing–Protecting(2/3page)Notes:

OV=过压,UV=欠压,OT=过温,SC=短路,OP=电池掉电检测,OCD=放电过电流,OCC=充电过电流,IT=阻抗追踪技术模拟前端与电池平衡需要主机控制9

to15LiCells内置硬件保护纯数字接口可搭配bqMAXIMUS配套控制器（芯片组解决方案）包含磷酸铁锂电池电池掉电检测电阻式平衡14位ADC的电池电压和温度15位ADC（库仑计数器）电流中断输出支持電池随机连接提供3.3V稳压输出30-160µAnormal關斷模是小於1uA44-pinSSOP模拟前端与电池平衡需要主机控制6to

10LiCells内置硬件保护纯数字接口可搭配bqMAXIMUS配套控制器（芯片组解决方案）包含磷酸铁锂电池电池掉电检测电阻式平衡14位ADC的电池电压和温度15位ADC（库仑计数器）电流中断输出支持電池随机连接提供3.3V稳压输出30-160µAnormal關斷模是小於1uA30-pinSSOP模拟前端与电池平衡需要主机控制3to

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LiCells内置硬件保护纯数字接口可搭配bqMAXIMUS配套控制器（芯片组解决方案）包含磷酸铁锂电池电池掉电检测电阻式平衡14位ADC的电池电压和温度15位ADC（库仑计数器）电流中断输出支持電池随机连接提供3.3V稳压输出30-160µAnormal關斷模是小於1uA20-pinSSOP量产评估可提供样品新定义bq76920AFEFETDriveBalancingbq76930AFEFETDriveBalancingbq76940AFEFETDriveBalancingbqMAXIMO&bqMAXIMUS:拥有最大灵活性bqMAXIMO:模擬前端bq76920bq76930bq76940bq783503S~5S主动保护与电池平衡6S~10S主动保护与电池平衡9S~15S主动保护与电池平衡包含全面的保護:

OV,UV,OCD,SCD,OCC,OT-D,OT-C,