电池管理系统如何计算和监控电池寿命

电池管理系统 （BMS） 是一种电子系统或电路，用于监控充电、放电、温度和其他影响电池或电池组状态的因素，其总体目标是准确指示剩余可用时间。它用于监控和维护电池的健康状况和容量。

今天的 BMS 设备很先进，并且经常提供弹出通知，就像您可能在笔记本电脑或智能手机上体验过的那样。这些系统至少应提供：

• 电压监控（充电状态)

• 电池寿命和整体运行状况（健康状况）

• 温度和状态监测（安全作区域）

• 充电时间

电池管理系统还可能提供额外的功能，具体取决于应用程序。例如，电动汽车中的 BTS 显示屏可以报告车辆在下次充电前可以安全行驶多少英里或公里数。

了解 BMS
通常，BMS 从它所监控的电池接收输入，在算法中对其进行处理，然后生成输出。输出数据包括变化状态 （SOC）、健康状态 （SOH） 以及故障和状态信号。

BMS 可用于单节或多节电池组。下面的电路显示了三个串联的电池，其中 BMS 测量总电压以及每个电池的电压。它还通过分流电流或霍尔效应传感器监控电流。

此外，还提供金属氧化物半导体场效应晶体管 （MOSFET），例如充电或放电控制场效应发射器 （CFET 和 DFET），它们提供集成的充电和放电功能。这些 MOSFET 提供了额外的安全优势，可在故障情况下终止充电或负载。在这种情况下，充电器和负载连接以“通信”。

安全工作区域
BMS 提供安全可靠的电池使用。例如，它可以保护电池免受温度过高或过低以及过度充电或过度放电的影响。

工作温度和电压应始终处于安全工作区 （SOA） 内，如下面的电压与温度图所示。图表中的值应始终遵循 BMS 制造商的数据表，因为可用的系统不同。

如果由于过热或过热条件导致电池温度超过 SOA，则会出现超温情况。它被认为是危险的，因为它可以熔化电池和电路。塑料电池盒通常在 200 F 左右软化，在 300 F 以上熔化。在极端情况下，电池也会熔化或爆炸。

就像热量会加速化学反应一样，低温会减慢化学反应的速度。低温或冰冻温度可能导致温度不足，这也会影响电池及其供电能力。

电压超过其理想状态限制并高于 SOA 是过度充电，会损坏电池并使其无法正常工作。当电压降至其状态限制以下时，它被视为充电不足。所有四种情况都可能损坏电池或可能很危险。

可靠的 BMS 监控电路中的每个电池，并在电池超过任何理想状态时终止电池充电来提供保护。

健康状况
健康状态 （SOH） 是指电池的容量或当前状况与其理想状态相比。SOH 有助于确定可用或剩余电池寿命的百分比。

在下图中，电池的容量在充电或放电周期中减小。

SOH 是如何确定的？
随电池使用年限而变化的参数（例如阻抗或电导）可用于确定电池的 SOH。当这些参数增加时，电池性能会下降，而温度会升高。Impedance 测量电路在施加电压时对电流的抵抗力。电导是物体导电的程度，计算为电流比。

要测量 SOH，必须记录初始阻抗或电导，这通常在制造商的数据表中提供。要测试电池的阻抗或电导，请在电池上施加一个已知频率和振幅的“E”小交流电压，并测量响应它而流动的同相交流电流“I”。

哪里。。。
阻抗为 Z = E/I（“E”是电池两端的交流电压，“I”是流经电池的交流电流）
电导为 C = I/E

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

阻抗和电导彼此成反比，其中阻抗增加而电导减少。

现在，假设我们接收到的阻抗为 70 毫欧姆，但起初是 50 毫欧姆。

阻抗百分比 =（电流阻抗 / 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%。现在，我们来计算 SOH。

电池的初始容量为 1000mAh，阻抗增加了 40%。结果...
容量损失 = （阻抗百分比 /100） x 总初始容量
= （40/100） x 1000 = 400mAh
SOH = 总初始容量 – 容量损失
= 600mAh

阻抗百分比也可以测量温度。假设初始百分比为 40 C。
电流温度 =（阻抗百分比/100） x 初始温度 + 初始温度
= （40/100） x 40 + 40
= 56 C

在这种情况下，随着阻抗的增加，电池的温度也会升高，如下图所示。

充电
状态 充电状态 （SOC） 表示电池中剩余的电量或能量，并使用剩余电池容量与电池总容量计算得出。充电状态可以用百分比表示，如下所示;
SOC 百分比 = （ SOH / 总容量 ） * 100

尽管此公式以百分比形式提供 SOC，但它并不完全准确，因为它没有考虑电池总容量随时间减少的事实。最终，电池将无法实现 100% 的完全充电。因此，公式中的总容量是 SOH 值。

这个方程提供了更准确的结果：
SOC 百分比 = （ SOC / SOH ） X 100

如果初始电池容量为 1000mAh，但 SOH 现在是 500mAh，剩余容量为 300mAh，则：
SOC 百分比 = （ 300 / 500） X 100 = 60%

SOC 是如何确定的？
确定充电状态的最简单方法是测量电池的充电和放电电压。然而，这不是测量容量的理想方法，因为电池没有线性充电或放电曲线。因此，并非每个读数都会被准确表示。

例如，考虑下图中锂离子电池的充电和放电曲线。充放电电压逐渐改变电池状态，直到最终放电保持稳定。

测量电池容量的理想方法是通过库仑计数，它测量随时间变化的输入和输出电流。它考虑了一段时间内的放电电流，如果充电电流相同，则从值中减去放电电流。

SOC = 总容量 – （放电电流 – 充电电流）

有几种方法可用于测量电流中的放电或电荷，具体取决于电池测量系统。以下是一些：

电流分流器：分流器是一种低欧姆电阻器，用于测量电流，通常在电流超出测量设备的范围时测量电流。整个电流流过分流器并产生电压降，并对其进行测量。这种方法在电阻器上有轻微的功率损失，并会加热电池。

霍尔效应：当设备置于磁场中时，该传感器测量电压的变化。它消除了分流器典型的功率损耗问题，但成本高昂且无法承受大电流。

巨磁阻 （GMR）：这些传感器用作磁场探测器，比霍尔效应传感器更敏感（也更昂贵）。他们非常准确。

库仑计数：库仑涉及测量流入或流出电池的电流量。下图描述了在不同时间测量的电流，以确定与时间相关的总放电电流。

库仑测量相当复杂，但可以通过微控制器完成。