电阻、温度和充电行为如何影响电池 SOC 和 SOH

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简介

电池充电状态 (SOC) 和健康状况 (SOH) 是确定电池可用容量、并判断其相比新电池表现如何的关键参数。在电动滑板车等应用中，这两个参数尤其重要，因为如果电池突然断电或出现故障，将可能导致事故。

本文将介绍电池的 SOC 和 SOH，并讨论影响 SOC 和 SOH 的三个因素：内阻、温度和充/放电行为。我们还将探讨 MPS 的电量计以及电池保护与监控解决方案，它们共同形成完整的 BMS 解决方案，提供高度精确的 SOC 和 SOH 估算，从而防止意外故障。

电池充电状态(SOC)

电池SOC 测量的是相对于电池满电容量的可用容量。SOC 是一个百分比，它可以帮助用户确定电池何时需要充电。

SOC 的范围从 0%（完全放电）到 100%（完全充电）。假如电池的 SOC 为 20%，则意味着电池还剩大约 20% 的电量，已放电 80%。

准确估计 SOC 对于确保安全可靠的运行至关重要，尤其是在那些需要额外安全措施的应用中，例如高压储能和电动自行车等。SOC的估算可以通过测量电压、电流和/或温度来实现（具体取决于所采用的方法）。本文稍后将讨论MPS 的混合模式算法。

电池健康状况(SOH)

电池的 SOH 表明了其相比新电池的性能如何，用户通过该参数可以评估电池随时间的功能降额情况，并确定何时应更换电池。与 SOC 一样，SOH 也以百分比表示。100%表示电池可以存储其标称容量，而较低的百分比则表示电池已经老化，可存储的电量少于额定容量。

影响SOC 和SOH的因素

接下来我们将重点讨论三个可能影响电池 SOC 和 SOH 的关键因素。当然，还有许多其他因素也可能影响 SOC、SOH 或两者，这里不能面面俱到。

内阻

电池内阻会导致能量损失、散热增加和高压骤降，从而影响电池的性能，并随着时间的推移降低电池的总体可用容量。较高的内阻通常会导致较低的功率能力和更快的 SOH 退化。

每个电池都有内阻，当电流流过电池时，内阻会导致电池端子之间的压降。随着时间的推移，较高的内阻会导致电池性能降低和寿命缩短；为此，通常建议设计人员采用高质量材料并优化电池结构来最大限度地减少内阻。

由于电压、电流和电阻之间的关系，较高的电阻会导致较大的压降，这意味着电池可能达到其电压极限，而接收设备的可用能量较少。较高的内阻还会产生更多的热量，这也会对电池性能和使用寿命产生负面影响。更多热量生成还会降低电池的效率，无论是短期还是长期来看。

工作温度

温度会通过多种方式影响电池的性能。因此，正确存储和使用电池非常重要，应尽量避免电池在极低或极高的温度下运行。在较低温度下，电池性能会由于电阻增加而降低，随之而来的是可用容量的减少。而且，在较低温度下对电池充电可能会导致镀锂，从而降低电池容量，甚至可能导致内部短路。但是，较低的温度对于存储（或未使用）的电池来说可能是有益的，因为它减缓了其他退化机制。

在较高温度下，电池性能会提高，因为较低的内阻会降低压降，并最大限度地提高电池的可用容量。但是，电池在较高温度下老化得也更快。而且，高温还可能损坏电池、引起火灾，甚至导致爆炸，当然，这具体取决于电池。

在估计电池的 SOC 时，必须考虑与温度相关的动态（例如开路电压和阻抗），否则估计结果可能不准确，这可能导致用户体验不佳或操作不当。

表 1 显示了根据电池温度可做的不同权衡。

表1: 温度权衡

较高温度	较低温度
更低的内阻	更高的内阻
更低的压降	更高的压降
可用容量较高	可用容量减少
自放电加速	自放电较慢
更快的退化速度	镀锂的风险

许多使用电池的设备（包括电动自行车和医疗设备）需要在整个电池使用寿命期间在各种工作温度下进行精确的 SOC 和 SOH 估算。否则，最终客户可能会遇到电池过早没电、加速退化和性能不佳的情况。

在电池管理系统 (BMS) 中增加MPF42791等电量计将可以提高电池的整体性能。MPF42791采用与温度相关的高保真数学模型来提供出色的精度。它可以估算电池电阻和容量以跟踪老化情况，并在电池的整个使用寿命内都保持高精度。

放电、充电和自放电

电池可以充电和放电，充电和放电的速率会影响 SOC 和 SOH。例如，如果电池过度充电或深度放电都可能永久降低电池的整体容量。

许多电池充电器IC（例如MP2703和MP2710）都可确保电池在其安全范围内安全的放电和充电，不过，额外的保护则需要监控和保护器件来提供（稍后将对此进行讨论）。

电池的自放电率是指电池随着时间的推移损失电荷和能量的情况，其中也包括电池闲置或与电源断开连接的时候。自放电率是一种自然现象，并随电池化学成分和温度的变化而变化。可充电电池（例如锂离子电池和镍氢电池）的放电速度比不可充电的电池（例如碱性电池）快很多。

随着时间的推移，电池的容量会减少，这意味着自放电率也变得更加重要，因为电池不再能够存储那么多的电荷了。此外，环境温度也会影响电池的自放电率。高温会导致电池更快地自放电，因此，建议将电池存放在较低的环境温度下。

利用电量计和电池监控器来改善 SOC 和 SOH

除了保证安全、可靠运行的电池充电器IC以外，MPS 还提供电量计以及电池监控与保护器，从而实现完整的 BMS 解决方案（见图 1）。

图1: 电池管理系统

电量计可以精确估算电池的 SOC 以及电池运行的其他关键信息，而电池监控器则可以快速检测异常情况并保护系统。电量计和监控器可以协同工作来监控电池关键参数并提供保护。

MPS电量计

MPS 的 MPF4279x 系列电量计采用高效率混合模式算法来实现出色的 SOC 估计精度（见图 2）。

图2: SOC估算

MPF42791电量计可提供最多 16 个串联锂离子 (Li-ion) 电池组的全面信息。它支持多种电池化学成分，电池尺寸可快速配置，同时提供调整选项，以进一步微调。

这款电量计可以估算单个电池和电池组的 SOC 和 SOH，同时提供个性化数据以快速确定整个电池组中的哪个电池遇到故障状况。此外，其板载内存还会记录关键参数，以收集电池整个生命周期的历史数据。MPF4271 与 MPS 电池监控器配合使用时，其 SOC 精度可达 2.5% 以内。图 3 显示了 MP2796 和 MPF42791 在 25°C 环境温度下的 CC/CV 充电和动态放电循环性能。

图 3：MP2796 + MPF42791 的CC/CV 充电和动态放电综合性能（环境温度 = 25°C）

MPF42791 通过 I²C 接口提供强大的通信能力。它可以返回实时状态信息，例如电池单元的 SOC 和 SOH、功率限制、剩余运行时间和充电时间。MPF42791 可以驱动五个外部 LED，报告整体电池组的SOC。LED 可以设置为直接控制（MPF42791 根据电池组 SOC 直接控制 LED）或手动控制（允许主机通过相关寄存器手动控制每个 LED）。

MPF42793与MPF42791基本相同，但针对磷酸铁锂 (LFP) 电池组进行了优化。MPS还提供带 LED 指示并支持多达 10 个串联电池的电量计（MPF42795），以及不带 LED 指示并支持最多 16 个电池的电量计（MPF42792）。

MPS电池监控和保护器

理想的BMS解决方案应能够在保证安全运行的同时延长电池的使用寿命。MPS 保护器可以满足多达 16 个串联电池的安全与功率需求，同时还通过模数转换器 (ADC) 提供精确的电压、电流和温度监控。

MP2796是一款电池管理器件，可提供完整的模拟前端 (AFE) 监控与保护解决方案。它支持 7 至 16 节串联电池组连接，并在超小尺寸的 TQFP-48 (7mmx7mm) 封装中集成了两个 ADC（见图 4）。第一个 ADC 通过外部 NTC 热敏电阻测量每个电池之间的差分电池电压（最多 16 个电池）、芯片温度和 4 通道温度；第二个 ADC 则测量充电/放电电流，集成的上管 MOSFET (HS-FET) 被用来控制充电和放电。