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如何测试和校准智能电池？

时间：2023-02-02 14:27:58 点击：次

如何测试和校准智能电池？

当Gaston Planté于 1859 年发明可充电电池时，一种新的能量储存系统应运而生。数字世界一直在通过添加一个透明窗口来消除其不透明性并揭示功能状态，从而使电化学电池变得智能。

智能电池在 1994 年由英特尔和金霸王推出时被誉为工程奇迹。核心是系统管理总线或 SMBus，它跟踪充电状态 (SoC) 并捕获性能数据。SMBus 还集成了电池管理系统 (BMS)，通过限制过压和防止高电流消耗来确保锂离子电池的安全运行。

与充电器指挥的普通电池不同，智能电池成为 2 级充电器中控制充电功能的主机。作为主人，可以为目前不存在充电算法的未来电池化学物质充电。Level 3 是一种混合充电器，可容纳带 SMBus 的电池以及普通电池。这是首选系统，因为如果 SMBus 通信失败，充电器会接管控制权。1 级充电器仅支持单一化学物质，已停产。

为了保持 SoC 的准确性，智能电池需要定期校准。如果校准不可用，设备制造商建议偶尔对设备进行完全放电。如图 1所示，这将重置放电标志，然后是充满电时的充电标志。因此，校准在满载和空载之间建立一条线性线以测量 SoC。

校准设置满充电和空标志 — 图 1：校准设置充满电和空电标志

随着时间的推移，这条线再次变得模糊，需要重新校准。设备制造商建议每三个月或 40 次局部放电后校准智能电池。校准误差由最大误差指标记录。数字 1 表示电池校准良好；较高的数字表明需要服务。

如图 1 所示的充电-放电-充电校准循环不能纠正容量损失。即使 SoC 仪表显示 100%，充满电且可用容量为 50% 的电池也只能提供指定运行时间的一半。随着电池的衰竭，图 2通过添加岩石模拟的储能能力会下降。

岩石象征着能力丧失 — 图 2：岩石象征着容量损失

电池还必须具有低内阻 (Ri) 才能提供电力。尽管容量损失和上升的 Ri 不相关，但只有当 Ri 在规格范围内时才能交付预期的运行时间。容量是领先的健康指标，在大多数情况下，该值在低于 80% 时决定寿命终止。作为骑自行车和衰老的一部分，Ri 的升高不太常见。

阻抗追踪

现代智能电池还揭示了充满电容量 (FCC) 中显示的可用容量。全新时，智能电池的 FCC 等于设计容量的 100%。但是，随着电池电量耗尽，可用容量的百分比会降低。可以使用反映电池“数字容量”的智能总线读取器读取 FCC。

可用容量与 FCC 的跟踪情况如何？Cadex 实验室发现三分之一随机测试的智能电池的准确度差异大于 5%。这解释了为什么用户会在电池显示 20% SoC 之前的瞬间突然停电。尽管存在这些异常，智能电池还是提供了有价值的信息；频繁校准可保持准确性。

现代智能电池的可用容量通过阻抗跟踪变得可读。具有阻抗跟踪功能的电池在充电和放电期间计算流入和流出的库仑*。一个类比是一个玻璃杯，液体含量为 20%，在测量流入的能量时将其填充到 100%。如图 3 所示，剩余容量加上附加电荷揭示了可用容量。

容量是剩余电荷加上增加的能量的总和 — 图 3：容量是剩余电荷加上添加的能量的总和

通过阻抗跟踪进行容量估算需要在充电前评估剩余电量（旧填充）。智能电池通过测量开路电压 (OCV) 来实现这一点，该值与匹配电池化学成分的参考曲线进行比较。

由于充电和放电后的搅动，需要休息时间以达到电压平衡以启用 SoC 估计。例如，充电后至少需要休息两个小时；出院后需要休息五个小时。该系统还增加了温度补偿，因为冷和热会影响电池电压。

尽管有这些预防措施，FCC 还是失去了准确性。具有阻抗跟踪功能的智能电池校准需要休息时间，最好使用电池分析仪完成这项服务。这种所谓的正式校准还会重置最大误差，这是一个单独的完整周期无法提供的功能。在分析仪上测试电池还会显示实际可用容量和 Ri 以验证 SoH。

所有电池在更换前都应使用电池分析仪进行维修。一些智能电池由于分析仪可能纠正的数字缺陷而失效。为获得最佳结果，应重复校准，因为某些类型的智能电池只能将读数修正一个有限的百分点。

* 1 库仑等于 1A 电流在一秒内传递的电荷量

校准 EV 电池

电动汽车 (EV) 中的 BMS 的工作原理类似于智能电池，但驾驶员无需校准。我们问：“为什么我的智能电池需要校准，而 EV 却免费？” 答案在于适用于具有阻抗跟踪功能的电动汽车和智能电池的自校准。

自校准设置SoC 定向点 (SoC-OP) ，如图 4所示。当电池在充电或放电后达到平衡时会发生这种情况。在这些点之间添加或减去库仑可以评估能量存储容量并在电池衰减时进行调整作为自校准的一部分。当 SoC-OP 间隔很远时，可以获得最佳结果。每个 BMS 都有自己未公开的机制。

SoC 定位点已设置并根据机会重新调整 — 图 4：设置 SoC 定位点并根据机会重新调整

低 SoC-OP 通常发生在一天结束时或有意完全放电之后。在充电前添加延迟可提供所需的休息时间以巩固低 SoC-OP；充满电后的休息设置高 SoC-OP 以完成自校准。正常使用期间自然出现的用户模式可以被有思想的电池用户操纵，以改进自我校准。

EV 电池使用类似的原理，这种方法也可以通过车主在使用和充电之间巧妙地安排时间来改进。由于锂离子电池在中等 SoC 范围内的放电曲线平坦，因此最佳 SoC-OP 位置低于 30% SoC 和高于 70% SoC。锂电池系列中的磷酸铁锂 (LFP) 具有非常平坦的中档曲线，但更流行的 NMC 具有可测量的中充电倾斜度。了解这些特性后，无需工具即可按照以下步骤校准 EV 电池：

校准可以将范围预测提高多达 80 公里（50 英里）。为了获得全部利益，可能需要重复该服务。一些服务中心为给定的 EV 提供校准，但这既昂贵又耗时。建议每年进行一次或两次电池校准，并在购买二手 EV 时进行。

校准储能系统 (ESS)

储能系统 ( ESS ) 中的电池与 EV 电池有相似之处，因为电池系统包含由 BMS 管理的串联和并联电池模块。大多数 ESS 都是通过观察电池电压、负载电流和温度来监控的。电压和电流测量可实现 SoC 和 Ri 读数，但无法通过容量评估来确定容量的寿命终止。一些 ESS 包括人工神经网络，如电池测试进展中所述，通过“按摩”大数据来评估 SoH。带阻抗跟踪的自校准也可用于 ESS 应用。

总线

SMBus 并不是智能电池的唯一通信方式。控制器局域网 (CAN Bus)是一种车辆总线标准，允许电池与主机系统通信。CAN 总线由罗伯特博世于 1983 年开发，主要用于混合动力车辆，包括电动自行车、无人机和机器人。

电池平衡

数千个电池串联和并联连接时，可能会及时发生电池不平衡。通过使用容量紧密匹配的优质电池，最佳电池平衡发生在电池组装厂。电池平衡不如校准有效，因为弱电池即使在充满电后仍然很弱。电池平衡不像校准那样校正电池组。

结论

现代智能电池在充电或不受干扰的放电过程中有机会进行自我校准。必须给予足够的休息时间以建立平衡，这是一个在具有阻抗跟踪的电池中形成 SoC-Ops 的事件。在电池分析仪上应用具有指定休息时间的正式校准时可获得最佳结果。还建议对 EV 进行定期校准。

智能电池确实很智能，但无人看管时，读数最多会下降30%。除非定期校准，否则便携式电池的 SoC 和 FCC 数据应仅作为参考读数。

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