鋰電池的充電狀態（SOC）的估算在技術上是困難的，特別是在未對電池完全充電或完全放電的應用中。這樣的應用是混合動力電動汽車（HEV）。挑戰源于鋰電池具有非常平坦的電壓放電特性這一事實。從70％SOC到20％SOC的電壓變化很小。實際上，由于溫度變化引起的電壓變化類似于由于放電引起的電壓變化，因此，如果要從電壓得出SOC，則必須補償電池溫度。

圖1：鋰電池電量計

另一個挑戰是這樣一個事實，即電池容量由最低容量的電池的容量決定，因此，不應從電池的端子電壓來判斷SOC，而應該從最弱的電池的端子電壓來判斷。這一切聽起來有點太難了。那么，為什么不簡單地將電池的總運行電流保持在電池中，并與流出的電流保持平衡呢？這被稱為庫侖計數，聽起來很簡單，但是這種方法也有很多困難。

困難是：

電池不是完美的蓄電池。他們從不退還您投入他們的東西。充電期間會發生電流泄漏，并且泄漏會隨溫度，充電速率，充電狀態和使用年限而變化。

電池的容量也隨放電速率非線性變化。放電越快，容量越低。從0.5C放電到5C放電的降低幅度可能高達15％。

電池的泄漏電流在較高溫度下會大大增加。電池中的內部電池可能比外部電池更熱，因此通過電池的電池泄漏將是不平等的。

容量也是溫度的函數。某些鋰化學物質比其他化學物質受到的影響更大。

為了補償這種不平等，在電池內采用了電池單元平衡。電池外部無法測量到這種額外的泄漏電流。

隨著電池壽命的增長，電池容量會逐漸減少。

電流測量中的任何小偏差都將被積分，并且隨著時間的流逝會變得很大，從而嚴重影響SOC的精度。

除非進行定期校正，否則所有以上所有這些都會導致精度隨時間的變化，但是只有在電池快要放電或快滿時才可以校正。在HEV應用中，最好將電池保持在約50％的電量，因此可靠地校正計量精度的一種可能方法是定期對電池進行完全充電。純電動汽車會定期充滿電或接近充滿電，因此基于庫侖計數的計量可能非常準確，尤其是在補償了其他電池問題的情況下。

庫侖計數實現高精確度的關鍵是在寬動態范圍內實現良好的電流感測。

對我們而言，傳統的電流測量方法是分流器，但是當涉及較高（250A +）電流時，這些分流器會掉下來。由于功耗問題，分流器必須具有低電阻。低電阻分流器不適用于測量低（50mA）電流。這立即帶來了最重要的問題：需要測量的最小和最大電流是多少？這稱為動態范圍。

通過假設使用100Ahr電池來粗略估算可接受的積分誤差。

4安培的誤差將在一天之內產生100％的誤差，或者0.4A的誤差將在一天中產生10％的誤差。

4 / 7A錯誤將在一周內產生100％的誤差，或60mA錯誤將在一周內產生10％的誤差。

4 / 28A錯誤將在一個月內產生100％的誤差，或者15mA錯誤將在一個月內產生10％的誤差，這可能是無法通過充電或接近完全放電來重新校準的計量的最佳結果。

現在讓我們看一下分流器來測量電流。對于250A，高端將有一個1m歐姆的分流器，并產生62.5W。但是，在15mA的電流下，它只會產生15微伏的電壓，這會在本底噪聲中損失掉。動態范圍為250A / 15mA = 17,000：1。如果它實際上可以“看到”噪聲，偏移和漂移之間的信號，則需要一個14位A / D轉換器。一個重要的偏移原因是熱電偶產生的電壓和接地環路偏移。

從根本上講，在這種動態范圍內，沒有任何一個傳感器可以實際測量電流。需要高電流傳感器來測量來自示例牽引和充電的較高電流，而需要低電流傳感器來測量來自例如附件和任何零電流狀態的電流。由于低電流傳感器也會“看到”大電流，因此除飽和以外，一定不要被這些電流損壞或破壞。這立即算出分流器。

一個解法

一個非常合適的傳感器系列是開環霍爾電流傳感器。這些設備不會受到大電流的損壞，Raztec已開發出一種傳感器范圍，該傳感器范圍實際上可以通過一次導體測量毫安范圍內的電流。100mV / AT的傳遞函數很實用，因此15mA的電流將產生可用的1.5mV。通過使用最好的可用磁芯材料，也可以實現單毫安范圍內的低剩磁。在100mV / AT時，高于25安培時將發生飽和。較低的編程增益當然會允許較高的電流。

圖2：以圖解方式描繪的SOC算法

用常規的大電流傳感器測量大電流。從一個傳感器切換到另一個傳感器需要簡單的邏輯。

Raztec新推出的無芯傳感器系列是高電流傳感器的絕佳選擇。這些器件具有出色的線性度，穩定性和零滯后性。它們很容易適應多種機械配置和電流范圍。這些設備通過采用性能卓越的新一代磁場傳感器而變得實用。

兩種傳感器類型仍然有利于管理具有很高動態電流范圍的信噪比。

但是，由于電池本身不是精確的庫侖計數器，因此極高的精度將是多余的。對于電池，充放電之間的誤差通常為5％，這會引發進一步的不一致性。考慮到這一點，可以使用使用電池基本模型的相對簡單的技術。該模型可以由空載的端子電壓對容量，充電電壓對容量，放電和充電電阻組成，可以根據容量和充電/放電周期進行修改。為了適應耗盡和恢復電壓時間常數，需要建立合適的測量電壓時間常數。

優質鋰電池的一個顯著優點是，在高放電速率下，鋰電池的容量損失很小。這一事實簡化了計算。而且它們具有非常低的泄漏電流。系統泄漏可能會更高。

在建立合適的參數之后，該技術可以在不進行庫侖計數的情況下，在實際剩余容量的百分之幾之內實現荷電狀態估計。電池成為庫侖計數器。

電流傳感器內的誤差源

如上所述，偏移誤差對于庫侖計數至關重要。SOC監控器內應規定在零電流條件下將傳感器偏移校準為零。通常，僅在工廠安裝過程中執行此操作是可行的。但是，在某些系統中，肯定會存在零電流，因此可以自動重新校準偏移量。這是理想的情況，因為可以容納漂移。

不幸的是，所有傳感器技術都有熱產生的偏移漂移，電流傳感器也不例外。現在我們可以看到，這是至關重要的質量。通過在Raztec使用優質的組件和精心的工程設計，我們開發了一系列非常熱穩定的電流傳感器，其漂移范圍小于0.25mA / K。對于20K的溫度變化，這可能會產生5mA的最大誤差。

包括磁路的電流傳感器的另一個常見誤差源是由于剩磁引起的磁滯誤差。通常最高可達400mA，這使得此類傳感器無法用于電池監控。通過選擇最好的可用磁性材料，Raztec的質量已降至20mA。該錯誤實際上也隨著時間而減少。如果需要更少的誤差，則可以進行消磁，但確實會增加相當大的復雜性。

較小的誤差是傳遞函數校準隨溫度的漂移，但是對于質量傳感器，這種影響遠小于電池性能隨溫度的漂移。

最佳的SOC估計機制是結合多種技術，例如使用穩定的空載電壓，通過IXR補償的電池電壓，庫侖計數和參數的溫度補償。例如，通過從電池空載或低載電壓估算SOC可以忽略長期積分誤差。

編輯：hfy