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的因素，其總體目標是準確指示剩余可用時間。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，并且經常提供彈出通知，就像您可能在筆記本電腦或智能手機上體驗過的那樣。這些系統至少應提供：

• 電壓監控（充電狀態)

• 電池壽命和整體運行狀況（健康狀況）

• 溫度和狀態監測（安全作區域）

• 充電時間

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，電動汽車中的 BTS 顯示屏可以報告車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，在算法中對其進行處理，然后生成輸出。輸出數據包括變化狀態 （SOC）、健康狀態 （SOH） 以及故障和狀態信號。

BMS 可用于單節或多節電池組。下面的電路顯示了三個串聯的電池，其中 BMS 測量總電壓以及每個電池的電壓。它還通過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效應晶體管 （MOSFET），例如充電或放電控制場效應發射器 （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高或過低以及過度充電或過度放電的影響。

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。

如果由于過熱或過熱條件導致電池溫度超過 SOA，則會出現超溫情況。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，電池也會熔化或爆炸。

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

電壓超過其理想狀態限制并高于 SOA 是過度充電，會損壞電池并使其無法正常工作。當電壓降至其狀態限制以下時，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 監控電路中的每個電池，并在電池超過任何理想狀態時終止電池充電來提供保護。

健康狀況
健康狀態 （SOH） 是指電池的容量或當前狀況與其理想狀態相比。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，電池性能會下降，而溫度會升高。Impedance 測量電路在施加電壓時對電流的抵抗力。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已知頻率和振幅的“E”小交流電壓，并測量響應它而流動的同相交流電流“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，隨著阻抗的增加，電池的溫度也會升高，如下圖所示。

充電
狀態 充電狀態 （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，因為它沒有考慮電池總容量隨時間減少的事實。最終，電池將無法實現 100% 的完全充電。因此，公式中的總容量是 SOH 值。

這個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？
確定充電狀態的最簡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，因為電池沒有線性充電或放電曲線。因此，并非每個讀數都會被準確表示。

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

測量電池容量的理想方法是通過庫侖計數，它測量隨時間變化的輸入和輸出電流。它考慮了一段時間內的放電電流，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測量電流。整個電流流過分流器并產生電壓降，并對其進行測量。這種方法在電阻器上有輕微的功率損失，并會加熱電池。

霍爾效應：當設備置于磁場中時，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題，但成本高昂且無法承受大電流。

巨磁阻 （GMR）：這些傳感器用作磁場探測器，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間測量的電流，以確定與時間相關的總放電電流。

庫侖測量相當復雜，但可以通過微控制器完成。