【導讀】基於鋰離子 (Li-ion) 電池單元的電池組廣泛用於各種應用，例如混合動力汽車 (HEV)

、電動汽車 (EV)、可供日後使用的再生能源儲存
，以及用於各種目的 (電網穩定性
、調峰和再生能源時移等) 的電網能源儲存。本文將為您介紹測量電池單元的充電狀態 (SOC) 與運行狀態 (SOH) 的技術發展
，以及 ADI 推出的相關解決方案。

精密估計電池SOC可以防止電池過度充電和放電

在電動汽車與儲能係統應用中，測量電池單元的充電狀態（SOC）非常重要。SOC定義為可用容量（單位為Ah），以額定容量的百分比表示。SOC參數可看作一個熱力學量


，利用它可評估電池的潛在電能。估計電池的運行狀態（SOH）也很重要，SOH以新電池為比較標準，衡量電池儲存和輸送電能的能力。

不過
，想要確定的電池SOC是一個很複雜的任務
，這與電池類型及其應用有關，所以近年來開展了許多旨在提高SOC估計精度的開發和研究工作。精確估計SOC是電池管理係統的主要任務之一
，其有助於改善係統性能和可靠性，並且還能延長電池壽命。

事實上，精密估計電池SOC可以避免意料之外的係統中斷

，防止電池過度充電和放電（這可能導致電池永久損壞
，具體取決於電池的內部結構）。然而，電池充電和放電涉及到複雜的化學和物理過程，在不同工作條件下精確估計SOC並不是輕而易舉的事。

測量SOC的一般方法是非常精確地測量所有工作條件下流入和流出電池組的電量（庫侖）和電流，以及電池組中各電池單元的電壓，然後利用此數據和先前加載的與被監測電池完全相同的電池組數據，得出SOC的精確估計。這種計算需要的其他數據還包括電池溫度、電池模式（測量時電池是充電還是放電）、電池年齡，以及從電池製造商那裏獲得的其他相關電池數據。

有時候可以從製造商那裏獲得關於鋰離子電池在不同工作條件下的性能特性數據。確定SOC之後

，便由係統負責在後續運行中更新SOC，基本上就是計數流入和流出電池的電量（庫侖）。如果初始SOC的精度不夠高

，或者受其他因素影響，比如電池自放電和漏電效應，那麼這種方法的精度可能無法令人滿意。

鋰離子電池組的等效電路模型

評估平台測量典型儲能模塊的SOC和SOH

為了測量典型儲能模塊的SOC和SOH，涉及到一個庫侖計數評估平台的設計和開發。評估平台主要由以下部分構成：硬件係統，包括MCU及所需的接口和外設
，嵌入式軟件

，可用於SOC和SOH算法實現，以及基於PC的應用軟件
，用作用戶界麵以進行係統配置
、數據顯示和分析。

評估平台通過適當的ADC和傳感器周期性測量各電池單元的電壓值
，以及電池組的電流和電壓，並且實時運行SOC估計算法。此算法會使用測得的電壓和電流值、溫度傳感器收集到的和／或PC軟件程序提供的一些其他數據（例如來自數據庫的製造商規格）。SOC估計算法的輸出會被送到PC圖形用戶界麵
，以供動態顯示和數據庫更新。SOC和SOH估計主要使用三種方法
，包括庫侖計數法、電壓法和卡爾曼濾波器法。這些方法適用於所有電池係統
，尤其是混合動力電動汽車（HEV）、電動汽車（EV）和光伏（PV）應用。

庫侖計數法也稱為安培時計數和電流積分法，是計算SOC最常用的技術。這種方法通過電池電流讀數對使用時間的積分來計算SOC值。庫侖計數法通過累計傳入或傳出電池的電荷來計算剩餘容量。這種方法的精度主要取決於對電池電流的精密測量和對初始SOC的精確估計。利用一個預知容量（可以是存儲器記憶的或通過工作條件初始估計的），電池的SOC可以通過充電和放電電流對運行時間的積分來計算。

電壓法則是通過電池的SOC（即其剩餘容量）可利用受控條件下的放電測試來確定。電壓法利用電池的已知放電曲線（電壓與SOC的關係）將電池電壓讀數轉換為等效SOC值zhi。然ran而er，由you於yu電dian池chi的de電dian化hua學xue動dong力li學xue和he溫wen度du，電dian池chi電dian流liu對dui電dian壓ya的de影ying響xiang更geng嚴yan重zhong。利li用yong一yi個ge與yu電dian池chi電dian流liu成cheng比bi例li的de校xiao正zheng項xiang來lai補bu償chang電dian壓ya讀du數shu，並bing使shi用yong電dian池chi開kai路lu電dian壓ya（OCV）與溫度的查找表，可以使這種方法更準確。

卡爾曼濾波器則是一種可估計任何動態係統內部狀態的算法，也可用來估計電池SOC。與其他估計方法相比，卡爾曼濾波器可自動提供關於自身狀態估計的動態誤差界。通過電池係統建模以將所需的未知量（如SOC）包bao含han在zai其qi狀zhuang態tai描miao述shu中zhong

，卡ka爾er曼man濾lv波bo器qi估gu計ji其qi值zhi並bing給gei出chu估gu計ji的de誤wu差cha界jie。然ran後hou，它ta便bian成cheng為wei一yi個ge基ji於yu模mo型xing的de狀zhuang態tai估gu計ji技ji術shu，利li用yong誤wu差cha校xiao正zheng機ji製zhi來lai提ti供gong對duiSOC的實時預測。

卡爾曼濾波器原理

選擇合適的SOC和SOH估計方法

選擇合適的SOC估計方法時
，應考慮多項標準。首先，SOC和SOH估計技術應可用於HEV和EV應用
、可供日後使用的再生能源儲存、電網能源儲存所用的鋰離子電池。此外關鍵的一點是，所選方法應當是計算複雜度低
、精度高（估計誤差低）的在線式實時技術。另外還要求估計方法使用電壓、電流測量值，以及溫度傳感器收集到的和／或PC軟件程序提供的其他數據。

為了克服庫侖計數法的缺點並提高其估計精度，有人已提出一種增強型庫侖計數算法來估計鋰離子電池的SOC和SOH參數。初始SOC從加載的電壓（充電和放電）或開路電壓獲得。損耗通過考慮充電和放電效率來補償。通過對工作電池的最大可釋放容量進行動態再校準，電池的SOH也可以同時估算出來，這又會進一步提高SOC估計的精度。

電池有三種工作模式：充電
、放電和開路。在充電階段，當電池以恒流恒壓（CC-CV）moshichongdianshi
，zhizaoshangtongchanghuishuomingdianchidianyahedianliudebianhua。chongdiandianliuhengdingshi
，dianchidianyazhujiantigao，zhizhidadaoyuzhi。yidandianchiyihengyamoshichongdian

，chongdiandianliuyikaishihuixunsujiangdi，ranhouhuanmanjianxiao。zuihou，dangdianchiwanquanchongmanshi，chongdiandianliuquyu0。這一充電曲線在恒流階段可轉換為SOC與充電電壓的關係
，在恒壓階段可轉換為SOC與充電電流的關係，充電期間的初始SOC可從這些關係推算出來。

zaifangdianjieduan
，dianchiyibutongdianliufangdianshidedianxingdianyaquxianyouzhizaoshanggeichu。suizhegongzuoshijiandeliushi，zhongduandianyahuijiangdi。dianliuyueda
，zhongduandianyaxiajiangdeyuekuai，guergongzuoshijianyueduan。zheyangbiankehuodebutongdianliuxiaSOC與放電電壓的關係，進而推知放電階段的初始SOC。

開路階段需要OCV與SOC之間的關係。在斷開負載之前，電池以不同電流放電。如果休息時間很長，可以利用OCV來估計SOC。電池的工作效率可通過庫侖效率來評估，庫侖效率定義為放電期間可從電池獲取的電荷數與充電期間進入電池的電荷數之比。

有線電池管理係統（BMS）

多樣解決方案滿足電池監控需求

為了解決各種電池監控上的問題，ADI也推出多款產品解決方案，包括ADBMS6815這款多單元電池堆監控器
，可測量多達12個串聯電池單元，總測量誤差（TME）小於1.5 mV。ADBMS6815具有0 V至5 V的電池測量範圍，適合大多數電池化學應用。可在304 μs內測量所有12個電池單元，並選擇較低的數據采集速率以便降噪。

此外
，還可將多個ADBMS6815器件串聯，以便同時監測很長的高壓電池串。每個ADBMS6815都有一個isoSPI™接jie口kou，用yong於yu進jin行xing不bu受shou射she頻pin幹gan擾rao的de遠yuan距ju離li高gao速su通tong信xin。多duo個ge器qi件jian以yi菊ju花hua鏈lian形xing式shi連lian接jie，通tong過guo最zui頂ding端duan或huo底di端duan的de器qi件jian連lian接jie到dao主zhu處chu理li器qi。該gai菊ju花hua鏈lian可ke雙shuang向xiang操cao作zuo
，即ji使shi通tong信xin路lu徑jing出chu錯cuo，也ye能neng確que保bao通tong信xin完wan整zheng性xing。

電池堆可直接為ADBMS6815供電

，也可采用隔離電源對其供電。ADBMS6815包括針對每個電池的無源平衡，可對每個單元進行單獨的脈寬調製（PWM）占空比控製。其他特性包括一個板載5 V穩壓器
、七個通用的輸入／輸出（GPIO）線路和一種電流消耗可降低至5.5 µA的休眠模式。ADBMS6815WFS型號設計用於汽車安全完整性等級能力D (ASIL D)的ISO 26262應用。

另一方麵
，ADI還推出LTC2949這款適用於電動車輛和混合動力車輛以及其他隔離式電流檢測應用的高精度電流、電壓、溫度、電量監控器。通過同時監測多達兩個檢測電阻上的壓降和電池組電壓，它可以推斷出流入和流出電池組的電量和電能。

此外

，ADI推出的isoSPI隔離式通信接口的LTC6820
，可通過單個雙絞線連接在兩個隔離器件之間提供雙向SPI通信。每個LTC6820將邏輯狀態編碼為信號
，並跨越一個隔離勢壘將信號傳送至另一個LTC6820。接收LTC6820對傳輸信號進行解碼並把從總線驅動至適當的邏輯狀態。隔離勢壘可利用一個簡單的脈衝變壓器進行橋接
，以實現幾百伏的隔離度。

結語

無論是電動汽車還是儲能係統應用，電池的運作效率都是提升相關產品效能的重要關鍵
，通過監控電池的SoC與SoH狀態，將可確保電池以高效率與穩定的方式運行。ADI針對電池監控應用推出的相關解決方案，將可提升電池運作的效能與安全性，更多相關的技術與產品細節，請洽ADI或艾睿電子以取得更詳細的信息。

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