討論影響SOC和SOH的三個因素：內(nèi)阻、溫度和充/放電行為

簡介

電池充電狀態(tài) (SOC) 和健康狀況 (SOH) 是確定電池可用容量、并判斷其相比新電池表現(xiàn)如何的關(guān)鍵參數(shù)。在電動滑板車等應(yīng)用中，這兩個參數(shù)尤其重要，因?yàn)槿绻姵赝蝗粩嚯娀虺霈F(xiàn)故障，將可能導(dǎo)致事故。

本文將介紹電池的 SOC 和 SOH，并討論影響 SOC 和 SOH 的三個因素：內(nèi)阻、溫度和充/放電行為。我們還將探討 MPS 的電量計(jì)以及電池保護(hù)與監(jiān)控解決方案，它們共同形成完整的 BMS 解決方案，提供高度精確的 SOC 和 SOH 估算，從而防止意外故障。

電池充電狀態(tài)(SOC)

電池SOC 測量的是相對于電池滿電容量的可用容量。SOC 是一個百分比，它可以幫助用戶確定電池何時(shí)需要充電。

SOC 的范圍從 0%（完全放電）到 100%（完全充電）。假如電池的 SOC 為 20%，則意味著電池還剩大約 20% 的電量，已放電 80%。

準(zhǔn)確估計(jì) SOC 對于確保安全可靠的運(yùn)行至關(guān)重要，尤其是在那些需要額外安全措施的應(yīng)用中，例如高壓儲能和電動自行車等。SOC的估算可以通過測量電壓、電流和/或溫度來實(shí)現(xiàn)（具體取決于所采用的方法）。本文稍后將討論MPS 的混合模式算法。

電池健康狀況(SOH)

電池的 SOH 表明了其相比新電池的性能如何，用戶通過該參數(shù)可以評估電池隨時(shí)間的功能降額情況，并確定何時(shí)應(yīng)更換電池。與 SOC 一樣，SOH 也以百分比表示。100%表示電池可以存儲其標(biāo)稱容量，而較低的百分比則表示電池已經(jīng)老化，可存儲的電量少于額定容量。

影響SOC 和SOH的因素

接下來我們將重點(diǎn)討論三個可能影響電池 SOC 和 SOH 的關(guān)鍵因素。當(dāng)然，還有許多其他因素也可能影響 SOC、SOH 或兩者，這里不能面面俱到。

內(nèi)阻

電池內(nèi)阻會導(dǎo)致能量損失、散熱增加和高壓驟降，從而影響電池的性能，并隨著時(shí)間的推移降低電池的總體可用容量。較高的內(nèi)阻通常會導(dǎo)致較低的功率能力和更快的 SOH 退化。

每個電池都有內(nèi)阻，當(dāng)電流流過電池時(shí)，內(nèi)阻會導(dǎo)致電池端子之間的壓降。隨著時(shí)間的推移，較高的內(nèi)阻會導(dǎo)致電池性能降低和壽命縮短； 為此，通常建議設(shè)計(jì)人員采用高質(zhì)量材料并優(yōu)化電池結(jié)構(gòu)來最大限度地減少內(nèi)阻。

由于電壓、電流和電阻之間的關(guān)系，較高的電阻會導(dǎo)致較大的壓降，這意味著電池可能達(dá)到其電壓極限，而接收設(shè)備的可用能量較少。較高的內(nèi)阻還會產(chǎn)生更多的熱量，這也會對電池性能和使用壽命產(chǎn)生負(fù)面影響。更多熱量生成還會降低電池的效率，無論是短期還是長期來看。

工作溫度

溫度會通過多種方式影響電池的性能。因此，正確存儲和使用電池非常重要，應(yīng)盡量避免電池在極低或極高的溫度下運(yùn)行。在較低溫度下，電池性能會由于電阻增加而降低，隨之而來的是可用容量的減少。而且，在較低溫度下對電池充電可能會導(dǎo)致鍍鋰，從而降低電池容量，甚至可能導(dǎo)致內(nèi)部短路。但是，較低的溫度對于存儲（或未使用）的電池來說可能是有益的，因?yàn)樗鼫p緩了其他退化機(jī)制。

在較高溫度下，電池性能會提高，因?yàn)檩^低的內(nèi)阻會降低壓降，并最大限度地提高電池的可用容量。但是，電池在較高溫度下老化得也更快。而且，高溫還可能損壞電池、引起火災(zāi)，甚至導(dǎo)致爆炸，當(dāng)然，這具體取決于電池。

在估計(jì)電池的 SOC 時(shí)，必須考慮與溫度相關(guān)的動態(tài)（例如開路電壓和阻抗），否則估計(jì)結(jié)果可能不準(zhǔn)確，這可能導(dǎo)致用戶體驗(yàn)不佳或操作不當(dāng)。

表 1 顯示了根據(jù)電池溫度可做的不同權(quán)衡。

表1: 溫度權(quán)衡

許多使用電池的設(shè)備（包括電動自行車和醫(yī)療設(shè)備）需要在整個電池使用壽命期間在各種工作溫度下進(jìn)行精確的 SOC 和 SOH 估算。否則，最終客戶可能會遇到電池過早沒電、加速退化和性能不佳的情況。

在電池管理系統(tǒng) (BMS) 中增加MPF42791等電量計(jì)將可以提高電池的整體性能。MPF42791采用與溫度相關(guān)的高保真數(shù)學(xué)模型來提供出色的精度。它可以估算電池電阻和容量以跟蹤老化情況，并在電池的整個使用壽命內(nèi)都保持高精度。

放電、充電和自放電

電池可以充電和放電，充電和放電的速率會影響 SOC 和 SOH。 例如，如果電池過度充電或深度放電都可能永久降低電池的整體容量。

許多電池充電器IC（例如MP2703和MP2710）都可確保電池在其安全范圍內(nèi)安全的放電和充電，不過，額外的保護(hù)則需要監(jiān)控和保護(hù)器件來提供（稍后將對此進(jìn)行討論）。

電池的自放電率是指電池隨著時(shí)間的推移損失電荷和能量的情況，其中也包括電池閑置或與電源斷開連接的時(shí)候。自放電率是一種自然現(xiàn)象，并隨電池化學(xué)成分和溫度的變化而變化?？沙潆婋姵兀ɡ?a href="http://www.ttokpm.com/v/tag/6503/" target="_blank">鋰離子電池和鎳氫電池）的放電速度比不可充電的電池（例如堿性電池）快很多。

隨著時(shí)間的推移，電池的容量會減少，這意味著自放電率也變得更加重要，因?yàn)殡姵夭辉倌軌虼鎯δ敲炊嗟碾姾闪?。此外，環(huán)境溫度也會影響電池的自放電率。高溫會導(dǎo)致電池更快地自放電，因此，建議將電池存放在較低的環(huán)境溫度下。

利用電量計(jì)和電池監(jiān)控器來改善 SOC 和 SOH

除了保證安全、可靠運(yùn)行的電池充電器IC以外，MPS 還提供電量計(jì)以及電池監(jiān)控與保護(hù)器，從而實(shí)現(xiàn)完整的 BMS 解決方案（見圖 1）。

圖1: 電池管理系統(tǒng)

電量計(jì)可以精確估算電池的 SOC 以及電池運(yùn)行的其他關(guān)鍵信息，而電池監(jiān)控器則可以快速檢測異常情況并保護(hù)系統(tǒng)。電量計(jì)和監(jiān)控器可以協(xié)同工作來監(jiān)控電池關(guān)鍵參數(shù)并提供保護(hù)。

MPS電量計(jì)

MPS 的 MPF4279x 系列電量計(jì)采用高效率混合模式算法來實(shí)現(xiàn)出色的 SOC 估計(jì)精度（見圖 2）。

圖2: SOC估算

MPF42791電量計(jì)可提供最多 16 個串聯(lián)鋰離子 (Li-ion) 電池組的全面信息。它支持多種電池化學(xué)成分，電池尺寸可快速配置，同時(shí)提供調(diào)整選項(xiàng)，以進(jìn)一步微調(diào)。

這款電量計(jì)可以估算單個電池和電池組的 SOC 和
SOH，同時(shí)提供個性化數(shù)據(jù)以快速確定整個電池組中的哪個電池遇到故障狀況。此外，其板載內(nèi)存還會記錄關(guān)鍵參數(shù)，以收集電池整個生命周期的歷史數(shù)據(jù)。MPF4271
與 MPS 電池監(jiān)控器配合使用時(shí)，其 SOC 精度可達(dá) 2.5% 以內(nèi)。圖 3 顯示了 MP2796 和 MPF42791 在 25°C
環(huán)境溫度下的 CC/CV 充電和動態(tài)放電循環(huán)性能。

圖 3：MP2796 + MPF42791 的CC/CV 充電和動態(tài)放電綜合性能（環(huán)境溫度 = 25°C）

MPF42791 通過 I^2^C
接口提供強(qiáng)大的通信能力。它可以返回實(shí)時(shí)狀態(tài)信息，例如電池單元的 SOC 和 SOH、功率限制、剩余運(yùn)行時(shí)間和充電時(shí)間。MPF42791
可以驅(qū)動五個外部 LED，報(bào)告整體電池組 的SOC。LED 可以設(shè)置為直接控制（MPF42791 根據(jù)電池組 SOC 直接控制
LED）或手動控制（允許主機(jī)通過相關(guān)寄存器手動控制每個 LED）。

MPF42793與MPF42791基本相同，但針對磷酸鐵鋰 (LFP) 電池組進(jìn)行了優(yōu)化。MPS還提供帶 LED 指示并支持多達(dá) 10 個串聯(lián)電池的電量計(jì)（MPF42795），以及不帶 LED 指示并支持最多 16 個電池的電量計(jì)（MPF42792）。

MPS電池監(jiān)控和保護(hù)器

理想的BMS解決方案應(yīng)能夠在保證安全運(yùn)行的同時(shí)延長電池的使用壽命。MPS 保護(hù)器可以滿足多達(dá) 16 個串聯(lián)電池的安全與功率需求，同時(shí)還通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 提供精確的電壓、電流和溫度監(jiān)控。

[MP2796]是一款電池管理器件，可提供完整的模擬前端
(AFE) 監(jiān)控與保護(hù)解決方案。它支持 7 至 16 節(jié)串聯(lián)電池組連接，并在超小尺寸的 TQFP-48 (7mmx7mm) 封裝中集成了兩個
ADC（見圖 4）。第一個 ADC 通過外部 NTC 熱敏電阻測量每個電池之間的差分電池電壓（最多 16 個電池）、芯片溫度和 4
通道溫度；第二個 ADC 則測量充電/放電電流，集成的上管 MOSFET (HS-FET) 被用來控制充電和放電。

圖4: MP2796

該器件采用內(nèi)部被動平衡 MOSFET 來均衡不匹配的電池，它可以確保沒有電池被迫去補(bǔ)償其他故障電池，從而進(jìn)一步延長電池的使用壽命。

電池監(jiān)控和保護(hù)器[MP2790]、[MP2791]和[MP2797]分別支持最多 10、14 和 16 個串聯(lián)電池。它們還提供庫侖計(jì)數(shù)功能來跟蹤進(jìn)出電池的電量。

總結(jié)

監(jiān)控電池的 SOC 和 SOH 對實(shí)現(xiàn)卓越的性能并精準(zhǔn)確定電池的壽命非常重要，這樣也可以保證整個應(yīng)用不會出現(xiàn)電源故障。本文討論了隨著時(shí)間的推移可能影響 SOC 和 SOH 的三個關(guān)鍵因素：內(nèi)阻、溫度和充電/放電行為。
*附件：電阻、溫度和充電行為如何影響電池 SOC 和 SOH.pdf

MPF42791和MP2797等器件通過提供精確的 SOC 和 SOH 估算來增強(qiáng) BMS，從而保護(hù)電池和 BMS 免受危險(xiǎn)狀況的影響，并延長電池壽命。敬請了解 MPS 的全系列高效率[電量計(jì)]、[電池保護(hù)器和監(jiān)控器]，以幫助您完善 BMS。