电池电量监测基础知识汇编

1、 什么是电池管理系统 n 电池管理系统（BATTERY MANAGEMENT SYSTEM），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。 n 其主要功能包括： n 电池电量监测 n 电池状态估计 n 在线诊断与预警 n 充、放电与预充控制 n 电池均衡管理 n 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

2、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 Qmax EDV = 每节电池每节电池 3.0V Qmax 电池容量电池容量 (Qmax) ：在达到放电终止电压：在达到放电终止电压 (EDV) 之前可从满充电电池提取的之前可从满充电电池提取的 电荷量。电荷量。 EDV 是应用或电池化学成分可接受的最小电压。是应用或电池化学成分可接受的最小电压。 负载电流：负载电流： 0.1C CBA

3、TRBAT 电池容量：电池容量：1C 放电速率放电速率 1C： 在一小时内将一节电池完全放电在一小时内将一节电池完全放电 所需的电流所需的电流 示例：示例： 2200mAh 电池，电池， 1C 放电速率：放电速率：2200mA，1 小时小时 0.5C 速率：速率：1100mA，2 小时小时 3.6V (电池额定电压电池额定电压) 1234560 3.0 3.5 4.0 4.5 容量，容量，Ah 电压，电压，V 4.2 3.6 3.0 2.4 电池电压电池电压 (V) 开路电压开路电压 (OCV) EDV Qmax IRBAT Quse 放电电流较高时将更早地达到放电电流较高时将更早地达到 ED

4、V。 可用容量可用容量 Quse Qmax RBAT OCV +- I +-V=OCV - I*RBAT 可用容量 Quse Qmax Quse 电池电阻 ?BATOCV RI-VV= 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) 4.2 3.6 3.0 2.4 电池电压电池电压 (V) OCV EDV Qmax max Q Q SOC = Q 状态状态 A 对于满充电电池，对于满充电电池，SOC = 1 (DOD=0 ) 对于完全放电电池，对于完全放电电池，

5、SOC = 0 (DOD= 1) 阻抗在很大程度上取决于阻抗在很大程度上取决于 温度、电荷状态及老化温度、电荷状态及老化 阻抗与温度和 DOD 有关 完全放电完全放电 满充电满充电 DOD = 1-SOC (电荷状电荷状 态态) SOC = 1 (满充电电池满充电电池) SOC = 0 (完全放电电池完全放电电池 ) SOC：电荷状态：电荷状态 DOD：放电深度：放电深度 max Q Q SOC= 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。 0 20 40 60 80 100 电池容量电池容量 % 4.2

6、 3.92 3.63 3.35 3.07 2.78 2.50 电池电压电池电压 (V) 第第 1 次充次充 电电 第第 100 次充电次充电 0.010.11101001103 0.06 0.09 0.12 0.15 0.18 0.21 0.24 Frequency, Hz -Im(Z) / Ohm Cycle 1 Cycle 100 Re(Z) / Ohm Frequency / Hz Rbat 新电池的阻抗差异 低频 (1 mHz) 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 0 0.062 0.084 0.11 0.13 0.15 R

7、(Z) - - Im (Z) - 0.05 0.025 0 1 mHz 1 kHz 制造商制造商 1 1 mHz 1 kHz 0 0.042 0.064 0.086 0.11 0.13 R(Z) - - Im (Z) - 0.05 0.025 0 制造商制造商 2 L C1 RSER Rhf R1R2 C2 IRBAT 4.2 3.6 3.0 2.4 电池电压电池电压 (V) OCV EDV Qmax 状态状态 A RM1 RM2 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 lQmax = 电池化学容量 (无负载) l

8、Quse = 可用容量 (与负载有关) l电池电阻和负载产生 I-R 压降 lSOC = 电荷状态 (%，取决于 OCV) lRM = 剩余容量 (取决于负载) l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% 容量容量 充电电压容差充电电压容差 由于电量监测不准确所由于电量监测不准确所 导致的关断不确定性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

9、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 dt iQ BATOCV RI-VV= ? 基于电压的电量监测计 4.2 3.4 3.0 电池电压电池电压 (V) 开路电压开路电压 (OCV) EDV 电池容量电池容量QmaxQuse 3.8 应用：低端蜂窝电话、数码相机应用：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仅在非常低的

10、电流下准确 BATOCV RI-VV IRBAT * 两项测试均采用两项测试均采用 C/3 放电速率电流放电速率电流 完全弛豫需要大约完全弛豫需要大约 2000 秒的时间秒的时间 在不同的时刻具有不同在不同的时刻具有不同 的电压的电压 20 至至 3000 秒之间的电秒之间的电 压差异超过压差异超过 20mV 电池 瞬态响应 3.830 3.855 3.880 3.905 0 1000 2000 3000 4000 时间（秒）时间（秒） 电池电压电池电压 (V) L C1 RSER Rhf R1R2 C2 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 时间（秒）时间（

11、秒） 3.250 3.275 3.300 3.325 电池电压电池电压 (V) 负载移除负载移除 负载移除负载移除 基于电压之电量监测的 SOC 误差 新电池的误差新电池的误差 误差随老化误差随老化 的演变情况的演变情况 SOC Error % 20 15 13.13 11.25 9.38 7.5 5.63 3.75 1.88 0 4060801000 SOC % Relaxation Error Cell-to-Cell Variation Total Error 15 11.25 7.5 3.75 0 0 20 40 60 80 100 SOC % SOC 误差误差 % 20-mV 弛豫测

12、量误差弛豫测量误差 15% 的电池间电阻容差的电池间电阻容差 每充电每充电 100 次电池的电阻将增加一倍次电池的电阻将增加一倍 SOC Error % 20 100 87.5 75 62.5 50 37.5 25 12.5 0 4060801000 SOC % 0 Cycles 300 Cycles 100 Cycles 200 Cycles SOC 误差误差 % 0 20 40 60 80 100 SOC % 100 75 50 25 0 ?OCVBAT V = V-I R 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

13、 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 dt iQ 基于库仑计数的电量监测 EDV：放电终止电压：放电终止电压 Q 0123456 3.0 3.5 4.0 4.5 容量，容量，Ah 锂离子电池单元电压锂离子电池单元电压 EDV Qmax 0.2C 放电速率放电速率 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 0 1 2 3 4 5 6 3 3.5 4 4.5 电压电压 (

14、V) EDV0 0% 3% 7% EDV1 EDV2 容量容量 Q (Ah) 0 1 2 3 4 5 6 3 3.5 4 4.5 电压电压 (V) 7% CEDV2 (I1) 容量容量 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 ?BATOCV RI-VV= 与老化相关的主要参数：阻抗与老化相关的主要参数

15、：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实现非常准确的电量监测 对于典型电量监测计的优势 4.2 3.6 3.0 2.4 电池电压电池电压 (V) 开路电压开路电压 (OCV) EDV 电池容量电池容量Qmax IRBAT Quse 在有负载的情况下，

16、可利用库仑计数实现非常准确的监测在有负载的情况下，可利用库仑计数实现非常准确的监测 问题考察 4.2 3.6 3.0 2.4 电池电压电池电压 (V) 开路电压开路电压 (OCV) EDV 电池容量电池容量Qmax IRBAT Quse 基于电压的电量监测计：基于电压的电量监测计：V = OCV(T,SOC) - I R(T,SOC, 老化老化) 电流积分电量监测计：电流积分电量监测计：CEDV = OCV(T,SOC) - I R(T,SOC, 老化老化) 问题：电池阻抗问题：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

17、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。 Impedance TrackTM 电量监测电量监测 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 5 mV 平均 SOC 预测误差 20 cell8 cell3, 4 cellApplication bq77908A, bq77910A, bq77PL15x, bq76930 bq76PL536A/bq76PL455A bq76

18、925, bq76920 Bq76920,bq76930 , bq76940 bq76PL536A/bq76PL455A bq76PL536A/bq76PL455A Bq76920,bq76930 , bq76940 主动保护与电池平衡 可单机工作 4 to 10 Li Cells 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-pin SSOP 电池过压保护 3 to 6 Li Cells 可堆栈to 18+ Cells 包含磷酸铁锂电池 NFET 驱动 精准过压检测 电

19、池平衡检测 可回复式或栓锁输出 超低自耗电 16-pin SSOP Notes: OV=过压过压, UV=欠压欠压, OT=过温过温, SC=短路短路,OP=电池掉电检测电池掉电检测, OCD=放电过电流放电过电流, OCC=充电过电流充电过电流, IT=阻抗追踪技术阻抗追踪技术 FET Drive Balancing FET Drive 模拟前端与电池平衡 需要主机控制 3 to 6 Li Cells 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-pin SSOP BalancingFET Drive Bala

20、ncing 主动保护与电池平衡 可单机工作 4 to 8 Li Cells 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-pin SSOP 量产 评估 可提供样品 新定义 Notes: OV=过压过压, UV=欠压欠压, OT=过温过温, SC=短路短路,OP=电池掉电检测电池掉电检测, OCD=放电过电流放电过电流, OCC=充电过电流充电过电流, IT=阻抗追踪技术阻抗追踪技术 模拟前端与电池平衡 需要主机控制 9 to 15 Li Cells 内置硬件保护 纯数字接

21、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 30-160A normal 關斷模是小於1uA 44-pin SSOP 模拟前端与电池平衡 需要主机控制 6 to 10 Li Cells 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

22、压输出 30-160A normal 關斷模是小於1uA 30-pin SSOP 模拟前端与电池平衡 需要主机控制 3 to 5 Li Cells 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 30-160A normal 關斷模是小於1uA 20-pin SSOP 量产 评估 可提供样品 新定义 FET Drive Balancing FET Drive Balancing FET Drive Balancing bq76920bq76930bq76940 bq783 50 3S5S 主动保护与电池平衡 6S10S 主动保护与电池平衡 9S15S 主动保护与电池平衡 包含全面的保護 : 低端 通訊協定並且可讀取電池電壓、溫度、電 流。 支援。 Notes: OV=过压过压, UV=欠压欠压, OT=过温过温, SC=短路短路,OP=电池掉电检测电池掉电检测, OCD=放电过电流放