1 引言

    随着汽车的迅速发展和大量普及，人类面临着它所带来的两大问题：环境的污染和能源的消耗。这些问题迫切要求对电动汽车（EV）和混合动力汽车（HEV）进行研究和开发。2001年9月，中国科技部在“十·五”期间的国家“863”计划中，特别设立了电动汽车重大专项。EV的能源完全由车载的电池组提供，对EV驾驶人员而言，最关心的是电池组中还剩余多少电量（由SOC来表示）、还能行驶多少里程，以便安排好行程，不至于半路抛锚。因此剩余电量估计是EV走向市场的最关键技术之一。

    电池荷电状态SOC（State Of Charge）描述电池剩余电量的数量，是电池使用过程中的重要参数。早期电动汽车电池主要用电压作为限制条件来防止过充或过放，这样的限制条件目前已经不能满足电动汽车的要求。一方面，电动汽车要求准确估计电池的SOC，以便从充分发挥电池能力和提高安全性两个角度对电池进行高效管理，进一步提高整车性能；另一方面，电动汽车电池在使用过程中表现的高度非线性，使准确估计SOC具有很大难度。两方面的结合，促使电动汽车电池SOC估计的研究工作不断开展，新方法不断出现。

    进行混合动力电动汽车电池SOC估计的前提是对SOC有准确定义。目前较统一的是从电量角度定义SOC，如美国先进电池联合会（USABC）在其《电动汽车电池实验手册》中定义SOC为：电池在一定放电倍率下，剩余电量与相同条件下额定容量的比值，即：

    式中，Qc为电池剩余的电量，C_f为电池以恒定电流I放电时所具有的容量。

    如果以已放出的电量Q来求得荷电状态参数SOC，则定义可表示为：

    式中，SOC=1表示电池为充满电状态。SOC=0则表示电池已处于全放电状态。

    2 传统SOC检测方法与可用性分析

    蓄电池荷电状态（SOC）是不能直接得到的，只能通过对电池外特性—电池电压U，电池电流I、电池内阻R、电池温度T等参数的检测来推断SOC的大小。以上这些参数与SOC的关系随电池老化的过程而改变，这中间含有很多不确定因素，而且电动汽车动力电池的工作状态及环境随电动汽车的行驶而随机改变，因此电动汽车动力电池SOC的获得已成为电动车领域的一个难题。目前最常见的研究方法是通过研究电池复杂的外特性，如开路电压、恒流放电时电压的变化规律、电池内阻特性等来获得SOC。

    （1）电量累积法。通过累积电池在充电或放电时的电量来估计电池的SOC，并根据电池的温度、放电率对SOC进行补偿。电量累积法检测SOC比较简单，是已商品化的电动汽车用SOC测量装置上应用最普遍的方法。但问题是：

    （a）在估计电池SOC时通常未对电池的老化和循环次数进行补偿；

    （b）根据已放出的电量得到SOC，虽对放电率的不同进行了修正，但未考虑放电电流对容量的影响因素具有可恢复性；

    （c）充放电的效率具有不稳定性。因此，用电量累积法得到的SOC估计存在较大的误差，而且，随着时间的推移其误差会越来越大，因此，电量累积法得到的SOC，其可靠性较低。

    （2）电阻测量法。用不同频率的交流电激励电池，测量电池内部的交流电阻，并通过建立的计算模型得到SOC估计值。利用电阻测量方法得到的电池荷电状态反映了电池在某特定恒流放电条件下的SOC值，根据此SOC判断电池能继续放出的电量还必须考虑后阶段放电率的实际情况。此外，由于电池SOC与电阻参数之间关系复杂，用传统的数学方法很难建模，因此，在电动汽车中很少应用这种方法来确定电池的荷电状态。

    （3）电压测量法。利用电池的开路电压与电池的放电深度的对应关系，通过测量电池的开路电压来估计SOC。开路电压法比较简单，但是不能用于动态的电池SOC估计。能用于动态检测的电压测量方法是对电池加一脉冲负载后测出电池的电压响应来分析和估计电池的SOC，但此测量方法复杂，计算模型建立也较困难，因此也很少应用于电动汽车。

    3 阻抗跟踪技术

    阻抗跟踪（impedance track）是利用动态建模算法（dynamic modeling algorithm），来计算电池效能随着时间、温度和使用量的下降幅度，然后再分析它和电池阴极／阳极系统等典型化学性质之间的关联性，不论使用何种品牌电池均可。这种阻抗跟踪技术大大减少了电池电量测量系统所需的运行时间和总成本。以前的许多电量监测技术，电池老化、温度变化大、循环次数多等因素都会造成所测量的参数误差偏大。而新型阻抗跟踪技术可精确监测在阻抗改变时或由电池老化、温度以及循环模式造成的电阻，从而准确预计电池组的运行时间。事实上，阻抗跟踪技术允许电池组将不同制造商的电池混合在一起，这就实现了电源的灵活性与持续性。目前许多电池电力测量组件采用静态建模技术，需要建立庞大的数据库才能测量数百项电池参数的每一种属性，而阻抗跟踪则不需要这些数据库。阻抗跟踪该技术能够从静态电压中明确得出准确的“起始和终止位置”，并从相应的容量差中得出总容量，从而消除了完全充电与放电的必要。阻抗跟踪技术将确保我们始终能够实时获得准确的电量信息。同时电量监测通过系统管理总线（SMBus）接口向系统主机控制器报告电量信息。

    4 应用

    现在出现了专为锂离子和锂聚合物电池而设计的全面集成化电池电量测量器件，可实现电池剩余电量和系统运行时间的计算。在本方案设计中采用了得州仪器（TI）的钩20z80芯片，它能在电池寿命期间内精确测量锂电池组剩余电力，准确度高达99％。该芯片组会找出电池组开路电压与目前电力状态和温度之间的关联性．据此分析电池组未供电时的精确电力状态。与标准的电池监测器不同，该技术集成在TI的基于闪存的bq20z80电量监测计芯片组中，在电池组处于静止状态时，通过在相应的温度下关联电池组的空载电压和充电状态可以分析出准确的电荷状态。

    bq20z80通过测量一个外部检测电阻两端的压降来测量电流。用户可对该电量计进行编程以补偿电流检测电阻，进而纠正因温度而引起的检测电阻阻值的变化。允许用户使用成本较低的感应电阻，而不会影响电流测量精度。为了更进一步提高电流测量精度，bq20z80还具有自动电流失调校准和用户可编程的增益补偿功能。

    下面介绍利用bq20z80芯片对电池的工作方式和电压、电流、温度、剩余电量等参数进行监测的具体实现方法。

    电池工作方式的监测

    确定电池在使用中处于何种工作方式，可利用bq20z80电流寄存器的值来进行判断。单片机每88ms监测一次电压，并将IS1 和IS2 两端的压差（Vis=Visl-Vis2）转换成电流存人电流寄存器。若Vis 为正值，说明电池正在充电；若Vis 为负值，说明电池正在放电。其软件流程如图1所示。

    由于如20z80芯片内部集成有A-D转换器和数字温度传感器，因此，要获得电池的电压、温度等参数，只需通过单片机对bq20z80发出采集电压、温度的控制命令，并待其采样完毕后自动将电压、温度的测量值存人相对应的寄存器，最后再由单片机读取寄存器的内容即可。

    剩余电量的监测

    电池的剩余电量是用户所需要的重要信息之一，它可利用电流累加寄存器中的值来求得。电流累加寄存器的值是由bq20z80实时自动测量电池电流后得到的，因而无须对其进行控制。通常在电池充电时该值增加，电池放电时该值减少。这样，通过单片机读取此值即可获得剩余电量。剩余电量监测的流程图见图2所示。

    测量参数

    典型的电池充放电测量参数曲线如图3、图4所示。

    5 结语

    电池的电量是电池管理最重要的参数，也是最不容易获得精确值的参数，而要提高精度就需要对电池的各种参数进行全方位的测量。本文提出了一种单芯片的监测电池荷电电量方案，利用阻抗跟踪技术获得电池的各种参数，不用再建立大量数据库。这种方案的主要优点在于测量的实时性和电量变化的动态更新，可提高系统的可靠性和利用率。