電池管理系統如何計算和監控電池壽命

電池管理系統 （BMS） 是一種電子系統或電路，用于監控充電、放電、溫度和其他影響電池或電池組狀態(tài)的因素，其總體目標是準確指示剩余可用時(shí)間。它用于監控和維護電池的健康狀況和容量。

今天的 BMS 設備很先進(jìn)，并且經(jīng)常提供彈出通知，就像您可能在筆記本電腦或智能手機上體驗過(guò)的那樣。這些系統至少應提供：

• 電壓監控（充電狀態(tài))

• 電池壽命和整體運行狀況（健康狀況）

• 溫度和狀態(tài)監測（安全作區域）

• 充電時(shí)間

電池管理系統還可能提供額外的功能，具體取決于應用程序。例如，電動(dòng)汽車(chē)中的 BTS 顯示屏可以報告車(chē)輛在下次充電前可以安全行駛多少英里或公里數。

了解 BMS
通常，BMS 從它所監控的電池接收輸入，在算法中對其進(jìn)行處理，然后生成輸出。輸出數據包括變化狀態(tài) （SOC）、健康狀態(tài) （SOH） 以及故障和狀態(tài)信號。

BMS 可用于單節或多節電池組。下面的電路顯示了三個(gè)串聯(lián)的電池，其中 BMS 測量總電壓以及每個(gè)電池的電壓。它還通過(guò)分流電流或霍爾效應傳感器監控電流。

此外，還提供金屬氧化物半導體場(chǎng)效應晶體管 （MOSFET），例如充電或放電控制場(chǎng)效應發(fā)射器 （CFET 和 DFET），它們提供集成的充電和放電功能。這些 MOSFET 提供了額外的安全優(yōu)勢，可在故障情況下終止充電或負載。在這種情況下，充電器和負載連接以“通信”。

安全工作區域
BMS 提供安全可靠的電池使用。例如，它可以保護電池免受溫度過(guò)高或過(guò)低以及過(guò)度充電或過(guò)度放電的影響。

工作溫度和電壓應始終處于安全工作區 （SOA） 內，如下面的電壓與溫度圖所示。圖表中的值應始終遵循 BMS 制造商的數據表，因為可用的系統不同。

如果由于過(guò)熱或過(guò)熱條件導致電池溫度超過(guò) SOA，則會(huì )出現超溫情況。它被認為是危險的，因為它可以熔化電池和電路。塑料電池盒通常在 200 F 左右軟化，在 300 F 以上熔化。在極端情況下，電池也會(huì )熔化或爆炸。

就像熱量會(huì )加速化學(xué)反應一樣，低溫會(huì )減慢化學(xué)反應的速度。低溫或冰凍溫度可能導致溫度不足，這也會(huì )影響電池及其供電能力。

電壓超過(guò)其理想狀態(tài)限制并高于 SOA 是過(guò)度充電，會(huì )損壞電池并使其無(wú)法正常工作。當電壓降至其狀態(tài)限制以下時(shí)，它被視為充電不足。所有四種情況都可能損壞電池或可能很危險。

可靠的 BMS 監控電路中的每個(gè)電池，并在電池超過(guò)任何理想狀態(tài)時(shí)終止電池充電來(lái)提供保護。

健康狀況
健康狀態(tài) （SOH） 是指電池的容量或當前狀況與其理想狀態(tài)相比。SOH 有助于確定可用或剩余電池壽命的百分比。

在下圖中，電池的容量在充電或放電周期中減小。

SOH 是如何確定的？
隨電池使用年限而變化的參數（例如阻抗或電導）可用于確定電池的 SOH。當這些參數增加時(shí)，電池性能會(huì )下降，而溫度會(huì )升高。Impedance 測量電路在施加電壓時(shí)對電流的抵抗力。電導是物體導電的程度，計算為電流比。

要測量 SOH，必須記錄初始阻抗或電導，這通常在制造商的數據表中提供。要測試電池的阻抗或電導，請在電池上施加一個(gè)已知頻率和振幅的“E”小交流電壓，并測量響應它而流動(dòng)的同相交流電流“I”。

哪里。。。
阻抗為 Z = E/I（“E”是電池兩端的交流電壓，“I”是流經(jīng)電池的交流電流）
電導為 C = I/E

例如。。。
E = 0.0024 V 和 I = 0.0033 A Z = 0.0024 / 0.0033 = 0.072 歐姆

阻抗和電導彼此成反比，其中阻抗增加而電導減少。

現在，假設我們接收到的阻抗為 70 毫歐姆，但起初是 50 毫歐姆。

阻抗百分比 =（電流阻抗 / 初始阻抗） X 100

= （70/50） x 100
= 140%

阻抗增加百分比 = 阻抗百分比 – 100
= 140 – 100 = 40%

阻抗增加了 40%?，F在，我們來(lái)計算 SOH。

電池的初始容量為 1000mAh，阻抗增加了 40%。結果...
容量損失 = （阻抗百分比 /100） x 總初始容量
= （40/100） x 1000 = 400mAh
SOH = 總初始容量 – 容量損失
= 600mAh

阻抗百分比也可以測量溫度。假設初始百分比為 40 C。
電流溫度 =（阻抗百分比/100） x 初始溫度 + 初始溫度
= （40/100） x 40 + 40
= 56 C

在這種情況下，隨著(zhù)阻抗的增加，電池的溫度也會(huì )升高，如下圖所示。

充電
狀態(tài) 充電狀態(tài) （SOC） 表示電池中剩余的電量或能量，并使用剩余電池容量與電池總容量計算得出。充電狀態(tài)可以用百分比表示，如下所示;
SOC 百分比 = （ SOH / 總容量 ） * 100

盡管此公式以百分比形式提供 SOC，但它并不完全準確，因為它沒(méi)有考慮電池總容量隨時(shí)間減少的事實(shí)。最終，電池將無(wú)法實(shí)現 100% 的完全充電。因此，公式中的總容量是 SOH 值。

這個(gè)方程提供了更準確的結果：
SOC 百分比 = （ SOC / SOH ） X 100

如果初始電池容量為 1000mAh，但 SOH 現在是 500mAh，剩余容量為 300mAh，則：
SOC 百分比 = （ 300 / 500） X 100 = 60%

SOC 是如何確定的？
確定充電狀態(tài)的最簡(jiǎn)單方法是測量電池的充電和放電電壓。然而，這不是測量容量的理想方法，因為電池沒(méi)有線(xiàn)性充電或放電曲線(xiàn)。因此，并非每個(gè)讀數都會(huì )被準確表示。

例如，考慮下圖中鋰離子電池的充電和放電曲線(xiàn)。充放電電壓逐漸改變電池狀態(tài)，直到最終放電保持穩定。

測量電池容量的理想方法是通過(guò)庫侖計數，它測量隨時(shí)間變化的輸入和輸出電流。它考慮了一段時(shí)間內的放電電流，如果充電電流相同，則從值中減去放電電流。

SOC = 總容量 – （放電電流 – 充電電流）

有幾種方法可用于測量電流中的放電或電荷，具體取決于電池測量系統。以下是一些：

電流分流器：分流器是一種低歐姆電阻器，用于測量電流，通常在電流超出測量設備的范圍時(shí)測量電流。整個(gè)電流流過(guò)分流器并產(chǎn)生電壓降，并對其進(jìn)行測量。這種方法在電阻器上有輕微的功率損失，并會(huì )加熱電池。

霍爾效應：當設備置于磁場(chǎng)中時(shí)，該傳感器測量電壓的變化。它消除了分流器典型的功率損耗問(wèn)題，但成本高昂且無(wú)法承受大電流。

巨磁阻 （GMR）：這些傳感器用作磁場(chǎng)探測器，比霍爾效應傳感器更敏感（也更昂貴）。他們非常準確。

庫侖計數：庫侖涉及測量流入或流出電池的電流量。下圖描述了在不同時(shí)間測量的電流，以確定與時(shí)間相關(guān)的總放電電流。

庫侖測量相當復雜，但可以通過(guò)微控制器完成。