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，因為如果電池突然斷電或出現(xiàn)故障，將可能導致事故。

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 的電量計以及電池保護與監(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%。

準確估計 SOC 對于確保安全可靠的運行至關(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)可以評估電池隨時間的功能降額情況，并確定何時應(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

接下來我們將重點討論三個可能影響電池 SOC 和 SOH 的關(guān)鍵因素。當然，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，當電流流過電池時，內(nèi)阻會導致電池端子之間的壓降。隨著時間的推移，較高的內(nèi)阻會導致電池性能降低和壽命縮短； 為此，通常建議設(shè)計人員采用高質(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，較高的電阻會導致較大的壓降，這意味著電池可能達到其電壓極限，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致鍍鋰，從而降低電池容量，甚至可能導致內(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，因為它減緩了其他退化機制。

在較高溫度下，電池性能會提高，因為較低的內(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)，甚至導致爆炸，當然，這具體取決于電池。

在估計電池的 SOC 時，必須考慮與溫度相關(guān)的動態(tài)（例如開路電壓和阻抗），否則估計結(jié)果可能不準確，這可能導致用戶體驗不佳或操作不當。

表 1 顯示了根據(jù)電池溫度可做的不同權(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，額外的保護則需要監(jiān)控和保護器件來提供（稍后將對此進行討論）。

電池的自放電率是指電池隨著時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候。自放電率是一種自然現(xiàn)象，并隨電池化學成分和溫度的變化而變化?？沙潆婋姵兀ɡ玟囯x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，因為電池不再能夠存儲那么多的電荷了。此外，環(huán)境溫度也會影響電池的自放電率。高溫會導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。

利用電量計和電池監(jiān)控器來改善 SOC 和 SOH

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

電量計可以精確估算電池的 SOC 以及電池運行的其他關(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系統(tǒng)。電量計和監(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。

MPS電量計

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

MPF42791電量計可提供最多 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成分，電池尺寸可快速配置，同時提供調(diào)整選項，以進一步微調(diào)。

這款電量計可以估算單個電池和電池組的 SOC 和 SOH，同時提供個性化數(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，其 SOC 精度可達 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。

MPF42791 通過 I2C 接口提供強大的通信能力。它可以返回實時狀態(tài)信息，例如電池單元的 SOC 和 SOH、功率限制、剩余運行時間和充電時間。MPF42791 可以驅(qū)動五個外部 LED，報告整體電池組 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) 電池組進行了優(yōu)化。MPS還提供帶 LED 指示并支持多達 10 個串聯(lián)電池的電量計（MPF42795），以及不帶 LED 指示并支持最多 16 個電池的電量計（MPF42792）。

MPS電池監(jiān)控和保護器

理想的BMS解決方案應(yīng)能夠在保證安全運行的同時延長電池的使用壽命。MPS 保護器可以滿足多達 16 個串聯(lián)電池的安全與功率需求，同時還通過模數(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。

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償其他故障電池，從而進一步延長電池的使用壽命。

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

總結(jié)

監(jiān)控電池的 SOC 和 SOH 對實現(xiàn)卓越的性能并精準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。

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