電池均衡演算法

① 鋰電池bms系統是根據什麼參數通過什麼計算確定停止輸出的 總電池包電壓低於多少嗎是根據

正常情況有三種：SOC、總電壓和單體電壓過低都會

② 汽車電池的主動均衡和被動均衡有什麼區別

在散昌鋰離子電池的日常使用過程中，電池管理系統通過平衡控制使單個電池與一個模塊之間的電壓和SOC差保持在設定的閾值內。確保每個電池芯的可用容量達到100%，增加電池的可用容量，延遲因自身或老化造成的容量差異。

電池平衡一般分為主動均衡和被動均衡。

被動均衡(能量耗散型):(1)電池放電到具有高均衡電阻SOC的電池。(2)均衡電流小於100 mA。

均衡控制策略是指根據選定的均衡變數，利用一定的演算法控制均衡的開啟和關閉，從而將電池電壓與SOC的差值控制在設定的閾值范圍內。目前廣泛採用的平衡策略是以電池電壓、容量和SOC作為平衡變數，綜合考慮車輛的使用情況、平衡開啟路徑的數量、平衡溫升等因素來確定平衡開啟條件和估算剩餘平衡時間。

③ 原電池反應平衡常數計算公式

Kc是配如枯平衡濃度、Kp是平培洞衡壓強,這個指平衡時的狀況,沒有一般表達式

Ksp是沉澱溶解平衡常數,等於橡昌離子濃度冪的乘積,例如Ksp(AgCl)=[Ag+][Cl-]

Ksp[Fe(OH)3]=[Fe3+]*([OH-]^3)

Ka是酸的電離平衡常數Ka(HAc)=[H+][Ac-]/[HAc]

Kb是鹼的電離平衡常數,演算法與酸類似

Kw是水的離子積常數,Kw=[H+][OH-]

298K,101kPa條件下Kw=1.0*10^(-14)

④ 典型的汽車電池管理系統應具有哪些功能，並給出每種功能的合理解釋

測量功能主要包含：模組的電壓采樣和溫度采樣、Pack的總電壓采樣和總電流采樣、高壓互鎖檢測、絕緣檢測。

而核心演算法主要包含：SOC（電池荷電狀態）演算法、SOH（壽命狀態）演算法、SOP（功率狀態）演算法、電池均衡演算法。

其中，SOC演算法，行業內典型的方案有安時積分、開路電壓、人工神經網路、卡爾曼濾波，單單某一種方案都會存在缺點，目前主流的方案是使用安時積分加上卡爾曼濾波的方式。

SOH演算法，目前常用的演算法有庫侖計演算法加上開路電壓，還有卡爾曼濾波等等演算法。

SOP演算法，目前可靠的方法還是靠試驗數據，用查表法實現。

均衡功能的原理，可以拿木桶原理來類比，有主動均衡和被動均衡兩種方法。主動均衡就是長木板裁剪後來補短木板，使得所有木板平均；被動均衡就是長木板都進行裁剪，保持所有長木板與最短木板一樣長。

應用功能主要包含：高壓上下電與低壓上下電、交流充電與直流充電、電池系統熱管理、電池系統故障診斷。

其中，高壓上下電與低壓上下電是需要其他控制器，比如VCU與BMS配合來實現，BMS完成高壓上電後，才能給整車高壓負載供電或進行充電（如果集成度做得比較高，BMS自己就能搞定上下電的過程）。

交流充電是通過交流充電樁、車載充電機為動力電池充電；直流充電是通過直流充電樁為動力電池充電。充電功能有相關的國標規定。

動力電池必須是可充電池

(1)干電池與目前的動力電池最大區別是：

a)干電池電解質是一種不能流動的糊狀物，不具再次充電特性；

b)動力電池是電解質鋰離子能在其中能流動的電解液，可以上千次充電；

(2)干電池與目前的動力電池的基本相同點：

a)有正極、有負極、有外殼、是電化學反應；

b)干電池與動力電池在單體上，物理特性基本相同，有圓柱、方形的。

⑤ USB6009的詳細資料

特點和引腳說明

● 特點

支持2～4節鋰電池和6～12節鎳電池。

基於PIC18F MCU內核,現場可編程的鋰離子/鋰聚合物/鎳電池電量計量晶元。

遵循SMBus 1.1和SBdata 1.1。

精密的16位Δ-∑ A/D轉換,電流測量精度為小於1mA。

18V最大輸入電壓,電壓測量端可直接與電池芯相連接。

可編程I/O用於LED驅動和充放電保護和二次安完保護。

對不同的電池芯,用戶可以配置不同的電池模型。

電池容量計量誤差小於1%。

先進的放電完(EOD)判斷方法。

16KB快閃記憶體和256Byte EEPROM。

高精度的內部振盪器。

極低的電源消耗,工作時耗電為200μA,采樣模式時為100μA,休眠時僅為0.5μA。

增強型ESD保護能力。

12個通用可編程I/O口,其中2個為高電壓(最高18V)開漏輸出。

集成和外接溫度感測器,實現兩個位置溫度檢測功能。

內置最大平衡電流為8.4mA的電池平衡電路和外部電池平衡控制功能。

● 引腳說明

PS501採用TSSOP28無鉛封裝,符合歐盟的RoSH以及各國的環保要求,其引腳排列如圖1所示。超小體積的TSSOP封裝(7.85mm×10.2mm)可節省PCB的空間,方便地安裝於不同尺寸的電池包中,如圖2所示。

圖1 PS501引腳圖

圖2 基於PS501的智能電池包

PS501引腳功能簡介

PS501內部結構和工作原理

● PS501內部結構

PS501的內部結構見圖3。

圖3 PS501內部結構圖

● 處理器內核/存儲器

PS501採用了PIC18 8位RISC單片機內核,其存儲器資源包括16KB 快閃記憶體,以及256Byte EEPROM,分別用於存儲程序/數據和參數。這兩種存儲器均可通過SMBus介面進行重新編程,而不需要特別的編程介面。每片PS501在出廠前都已經燒錄好Boot loader程序,針對不同型號用電設備,不同特性的電池芯,以及不同容量等配置信息用戶可以使用Powertool500軟體設置生成不同的固件,在電池包生產現場下載固件,從而電池包的生產廠可以方便快速地對不同特性的電池芯,不同的上位機設備更改固件,而不需要改動硬體電路。

● A/D轉信穗換器

PS501利用高精度A/D轉換器來進行電流、電壓和溫度的精確測量。A/D經過校準後可消除增益誤差和偏移誤差。基於PS501晶元的電池包管理PCBA在生產過程中除了要現場下載固件外,還要對A/D轉換電路及硅時鍾振盪器進行校準,校準的內容包括：電池組電壓采樣,每串電池芯電壓采樣,外部和內部溫度采樣,電流采樣,以及硅時鍾振盪器。因此不管是元件精度,PCB設計等造成的累加誤差都可以通過校準最大程度地進行更正,從而確保每個PCBA對物理量的采樣都是精確的,而這個過程花費的全部時間僅為15s,而且全過程全部自動進行,不需要人工干預。肆衡

● PowerSmart固件/電池模型

Flash存儲器中固化有所利用PowerSmart開發的電池管理固件。該固件採用專有演算法以及精密的三維電池模型,模型包含250多種參數,並可對自放電、溫度以及其他因素進行補償。除此之外,PS501在充/放電周期內還執行了多滑雹卜項容量校正和減小誤差的操作,以提高精度、改善電量計和充電控制性能。上述功能可確保實現精確的電池容量報告以及誤差小於1%的實時預測。快閃記憶體的可再編程特性使得在無需改變矽片設計的前提下,可迅速實現固件升級並生成用戶版本。PS501可根據特定應用的電池化學性質輕松進行用戶定製。

PowerSmart提供了各種標准配置文件,可用於配置各種流行的充電電池和電池組應用。圖4和表1是不同溫度,不同放電率的放電結束電壓3D模型和PS501內部表格參數一個例子。

圖4 不同溫度、不同放電率的放電結束電壓3D模型

表1 鋰電池放電結束電壓查找表

● SMBus介面/SBdata命令

PS501包括一個符合SMBus v1.1協議的SMBus通信引擎,目前所有的筆記本電腦與筆記本電池的通信都遵循這個通信協議。SMBUS是I2C通信協議的一個子集,使用帶有I2C通信介面的處理器或者用軟體模擬I2C通信介面的方法,都可以很容易地讀取PS501的SBdata數據,應用到不同的電子產品中。

● 精確的集成時基

PS501帶有一個高精度硅振盪器,無需外接時鍾振盪器即可進行自放電定時和容量計算的精確定時。這個內部硅振盪器在電池組生產時可以由用戶進行校準。

● 溫度檢測

當PS501緊靠被監控的電池時,可採用片內集成的溫度感測器以減少器件數目,用戶也可選擇通過器件提供的引腳外接熱敏電阻進行溫度監控。同時PS501可以支持內外兩個感測器分別進行采樣,監測兩個不同地方的溫度,並可以通過GPIO做出不同條件的溫度保護。

● 通用I/O

PS501提供12個可編程數字輸入/輸出引腳。其中8個引腳可用作LED輸出以顯示充電狀態(SOC),或直接控制外部充電電路,或為鋰離子電池組提供額外的安全保護。當然,它們也可用作通用輸入/輸出引腳。在這些引腳中,有兩個I/O是開漏輸出引腳,因此可用於直接驅動FET或其他高電壓應用。

在PS501內部提供的最大8.4mA平衡電流不足以滿足大容量電池包的平衡功能需要時,PS501可以通過通用 I/O控制外部的平衡電路,實現用戶自定義大小的平衡電流控制。此外通用 I/O還可以用作電池低容量工作時驅動蜂鳴器作低電量聲音提示。

工作模式

PS501有4種工作模式：運行模式、采樣模式、低電壓休眠模式和閑置休眠模式。每種模式都有特定的進入和退出條件,四種模式的功耗各不相同。

● 運行模式：PS501在電池組在充電或放電的過程中工作在這種模式。

運行模式是功耗最大的工作模式。在運行模式中,一個測量周期內所有測量和計算進行一次。在每個測量周期,依次對電流、電壓和溫度進行測量。例如：當筆記本電腦在工作或充電時,PS501的工作電流為200μA。

● 采樣模式：PS501在電池組既沒有充電也沒有用電的情況下進行采樣模式。

采樣模式中,充電狀態的計算、SMBus請求等操作仍將按照正常運行模式的頻率進行,不同的是每隔多個采樣周期才進行一次測量。器件總功耗得以顯著降。例如：筆記本電腦在關機時, PS501的工作電流為100μA。

● 低電壓休眠模式：電池組電壓測量值低於用戶的預設數值時,器件進入休眠模式。

處於休眠模式的PS501不再進行測量和計算。電量計顯示器不工作,SMBus上的通信被忽略,只有當滿足了喚醒條件時器件才可退出休眠模式。休眠模式是功耗最低的模式之一,用於電池徹底放電後保存電池能量,此時PS501的工作電流可以低至1μA。

● 閑置休眠模式：對於需要長期儲存的電池組,可採用閑置休眠模式。

該模式下,無論電壓值的大小,PS501都將進入低功耗休眠模式。用SMBus命令可使器件進入該模式。此時PS501的典型功耗可以低至1μA。當SMBUS匯流排有上拉電平退出該模式。該模式應用於電池包在長期儲存和運輸的過程節省電量。如：筆記本電腦電池在生產後到用戶第一次使用這個過程PS501可以設置工作在這種模式。

電池平衡

● 電池平衡功能的必要性

當一個串聯電池包中的電池芯中有電池芯的容量與其他串聯的電池晶元不同時,會體現為在電池組充滿或放完時串聯電池芯之間的電壓不相同。這種情況下導致在電池組充電的過程中,電壓過高的電池芯提早觸發電池組過充電保護,而在放電過程中電壓過低的電池芯導致電池組過放電保護,從而使電池組的整體容量明顯下降,整個電池組體現出來的容量為電池組中性能最差的電池芯的容量。

● PS501的內部平衡功能

PS501片內具備電池平衡負載,用以從具有較高電壓的電池抽取多餘的電流,消耗多餘的電量,實現電池平衡。根據電池電壓大小的不同,內部的多個500Ω電阻將從每節電池抽取最多 8.4mA的電流。電池平衡演算法將對單個電池的電壓以及它們之間的電壓差進行監視。對於容量較小,而且電池芯的性能及一致性較好的電池組,可以選擇使用內部平衡功能。

● PS501的外部平衡控制功能

當電池組的容量較大,並且電池芯的性能和一致性較差的情況下,PS501片內的平衡電路無法有效地起到電池平衡功能。這種情況下,可以使用PS501的可編程I/O並通過晶元外部的簡單元件實現大電流的電池平衡功能,參考應用電池見圖5。這樣,通過改變分流電阻的阻值,可以方便地實現不同平衡電流,通常在一些應用中將其設為100mA以上。這個功能特別適用於使用國產大容量電池芯的電動車、電動工具、外置電池包等應用。

圖5 PS501外置電池平衡電路

PS501的典型應用電路

PS501的典型應用電路見圖6。

圖6 PS501典型應用電路

● 電量計量功能：PS501直接對四串鋰電池進行電壓采樣,電流的采樣通過串在主迴路中的采樣電阻的兩端的電壓降得知。溫度採用片內感測器。

● 一次保護功能：鋰離子電池在過充電和過放電、過流、過溫等情況下都有可能會損壞電池和用電設備,並有發生電池爆炸或著火的危險。本方案使用專用的電池保護晶元如SEIKO公司的S-8254或MITSUMI公司的MM1414和PS501共同控制充電和放電保護MOSFET,實現雙重一次保護功能。

● 二次保護功能：在一次保護沒有正確保護,並且電池於危險的前提下,PS501可以控制熱熔保險絲,將其熔斷從而避免發生電池爆炸或著火的危險。

● 通信：主機通過SMBUS與PS501通信,讀取電池的各種信息。

● 電池平衡：使用片內電池平衡功能。

PS501的實測數據

圖7是基於PS501的智能電池組實測數據。

圖7 PS501的實測數據

電池組形式：3串2並(3S2P)容量4000mAH

充電設置：恆流為3000mA、恆壓為12600mV,停充條件為電流小於100mA。

放電設置：恆流為4500mA,停放條件為包電壓低於9000mV。

測試結果：

PS501准確地計算出電池組的容量,保證運行時間。

在充電過程中可以實時記錄獲得的容量,並且在電池充滿時計算出的電池容量與實際的電池容量4000mAH相符。

放電過程中,准確記錄放出的電量,並且在電池放光時,計算出的容量為0保證用電設備能及時存檔,關機。並獲得電池使用的最大容量。
結語

基於PS501的智能電池系統,可以准確地計算電池組的剩餘容量和報告電池的狀態,從而確保用電設備運行的可靠性以及最大化電池的使用時間。PS501的GPIO可以實現電池靈活的保護功能,確保電池的使用安全,同時內置電池平衡電路以及外部的電池平衡控制功能保證了電池組的電壓平衡,大大延長了電池的使用時間和壽命,這個功能對國產電池芯尤其實用。