【導(dǎo)讀】電池管理系統(tǒng) (BMS) 由一系列監(jiān)控和控制電池運(yùn)行的電子設(shè)備組成。典型 BMS 的主要元件包括電池監(jiān)控器和保護(hù)器、電量計(jì)以及主微控制器 (MCU)（見(jiàn)圖 1）。
圖1: BMS 架構(gòu)
BMS 最重要的參數(shù)之一是充電狀態(tài) (SOC) 的估算精度。SOC 估算錯(cuò)誤將可能導(dǎo)致電池壽命和運(yùn)行時(shí)間的縮短，同時(shí)造成潛在的危險(xiǎn)，例如系統(tǒng)意外斷電。
影響 SOC 精度的主要因素有兩個(gè)：電池監(jiān)控器的測(cè)量精度和電量計(jì)的估算精度。本文將探討這兩個(gè)因素對(duì) SOC 最終估算精度的影響，并提供設(shè)計(jì)實(shí)踐，讓設(shè)計(jì)人員在嘗試優(yōu)化 SOC 精度與成本時(shí)能夠更好地分配資源。
電量計(jì)算法精度
電量計(jì)是負(fù)責(zé)計(jì)算電池預(yù)估 SOC 的 IC。其算法可以部署在主 MCU 中，但專用的電量計(jì) IC 更具優(yōu)勢(shì)，如：
1. 高效率：采用單獨(dú)的電量計(jì)可以降低 MCU 的計(jì)算要求，從而提升整個(gè)系統(tǒng)的效率。
2. 高可靠性：一款成熟的電量計(jì) IC 能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計(jì)冗余并確保一定水平的 SOC 精度，從而提高系統(tǒng)的整體穩(wěn)健性。
3. 快速上市：電量計(jì)生產(chǎn)級(jí)別和經(jīng)過(guò)充分驗(yàn)證的算法可適用于多種電池類型，因此可減少工程資源需求。高精度的電量計(jì)算法需要軟件和電池工程師團(tuán)隊(duì)花費(fèi)數(shù)月甚至數(shù)年的時(shí)間才能開(kāi)發(fā)出來(lái)。
沒(méi)有一種簡(jiǎn)單的方法可以直接測(cè)量電池的 SOC，工程師必須根據(jù)電池監(jiān)控器測(cè)得的信號(hào)來(lái)估算 SOC。電量計(jì)的精度取決于其估算 SOC 的方法。最簡(jiǎn)單的估算方法是庫(kù)侖計(jì)數(shù)法，它將進(jìn)出電池的電流進(jìn)行積分，并通過(guò)公式（1）來(lái)計(jì)算：
不過(guò)，庫(kù)侖計(jì)數(shù)法高度依賴于初始 SOC 的估計(jì)、電流測(cè)量精度以及電池的可用容量。而且，精度不高的測(cè)量結(jié)果積分后還會(huì)導(dǎo)致 SOC 估算值隨時(shí)間漂移。因此，這種方法不能保證結(jié)果的收斂性，而只有收斂性才能說(shuō)明實(shí)際 SOC 與估算 SOC 一致。
除了庫(kù)倫計(jì)數(shù)法，還可以采用基于模型的方法，通過(guò)電流、電壓和溫度讀數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn) SOC 的收斂性，并使用數(shù)學(xué)電池模型將這些讀數(shù)與估算 SOC 關(guān)聯(lián)起來(lái)。當(dāng)然，電壓讀數(shù)過(guò)于不精確，再加上低保真的模型，也可能產(chǎn)生較大的 SOC 偏差。
電池監(jiān)控器 (BM) 對(duì) SOC 精度的影響
電池監(jiān)控器和保護(hù)器是負(fù)責(zé)感測(cè)電池電壓、電流和溫度的 IC。其測(cè)量結(jié)果將發(fā)送至電量計(jì)，由電量計(jì)根據(jù)這些讀數(shù)估算電池的 SOC。
電池監(jiān)控器是 SOC 估算過(guò)程的第一步，因此其測(cè)量精度不可避免地會(huì)對(duì)最終 SOC 估算誤差產(chǎn)生影響。在嚴(yán)重依賴庫(kù)侖計(jì)數(shù)或簡(jiǎn)單電池模型來(lái)估算 SOC 的傳統(tǒng) BMS 中，電池監(jiān)控器的測(cè)量精度是產(chǎn)生 SOC 估算偏差的主要原因。電池組設(shè)計(jì)人員不得不努力尋求，實(shí)現(xiàn)更精確的電池電壓測(cè)量。然而，要提高 SOC 精度，采用精確的電量計(jì)算法以改進(jìn) SOC 估算能力比僅僅提高電池監(jiān)控器的電壓測(cè)量精度要有效得多。
此外，使用電池監(jiān)控器和保護(hù)器 (BMP) 配合的IC組合也是當(dāng)前電池組設(shè)計(jì)的流行趨勢(shì)。BMP IC 具備一個(gè)有利條件，即電池監(jiān)控器是距離電池最近的元件，因此它是第一個(gè)檢測(cè)到潛在故障和危險(xiǎn)的元件。這意味著 BMP IC 無(wú)需 MCU 干預(yù)即可觸發(fā)保護(hù)，使電池系統(tǒng)更加安全。
盡管一些設(shè)計(jì)人員主要依據(jù)精度來(lái)選擇電池監(jiān)控器，但測(cè)量值和實(shí)際值之間的微小偏差并不會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成什么危險(xiǎn)。微小的偏差不足以嚴(yán)重到阻止保護(hù)被觸發(fā)，因此不會(huì)損壞電池。
BMS 和電量計(jì)對(duì) SOC 估算精度的影響
前文已經(jīng)描述了電量計(jì)方法和電池監(jiān)控器精度對(duì) SOC 估算精度的影響，我們還需要評(píng)估不同的電量計(jì)方法和 BM 精度對(duì) SOC 精度的影響。結(jié)合不同的電量計(jì)方法和 BM 精度進(jìn)行多次仿真將幫助我們確定它們對(duì) SOC 誤差的影響。圖 3 和圖 4 顯示了在不同場(chǎng)景下的 SOC 誤差。
圖 3 和圖 4 中的不同場(chǎng)景包含了十個(gè)完整的充電/放電周期，周期之間有 15 分鐘的間隙時(shí)間，初始 SOC 為 50%。在所有場(chǎng)景中，BM 電流測(cè)量偏移均為 20mA。為了最大限度地減少由于模型不精確而導(dǎo)致的誤差，我們采用了理想化的數(shù)學(xué)模型，這也意味著電池?cái)?shù)據(jù)來(lái)自于所有電量計(jì)方法都使用的同一個(gè)模型。我們采用以下三種不同的電量計(jì)方法：
● 庫(kù)侖計(jì)數(shù)法：對(duì)進(jìn)出電池的電流進(jìn)行積分（注：電壓僅用于 SOC 初始化）。
● 庫(kù)侖計(jì)數(shù)+基于開(kāi)路電壓(OCV) 的校正：在充電/放電期間使用庫(kù)侖計(jì)數(shù)法，在松弛階段則利用開(kāi)路電壓關(guān)系進(jìn)行 SOC 校正。
● MPS 混合法：考慮了測(cè)量和數(shù)學(xué)電池模型的不確定性，可實(shí)現(xiàn)庫(kù)侖計(jì)數(shù)的短期精度和數(shù)學(xué)電池模型的長(zhǎng)期收斂性。
圖 3 顯示了鋰鎳錳鈷氧化物 (NMC) 化學(xué)電池的 SOC 誤差。
圖3: SOC 誤差（NMC 電池示例）
圖 4 顯示了磷酸鐵鋰 (LFP) 化學(xué)電池的 SOC 誤差。注意，由于 LFP 具有平坦的 OCV，因此其化學(xué)成分對(duì)電壓測(cè)量的不精確性更加敏感。
圖4: SOC 誤差（LFP 電池示例）
由圖 3 和圖 4 可知：
● 庫(kù)侖計(jì)數(shù)法效果最差。由于缺乏反饋，它無(wú)法對(duì)不準(zhǔn)確的初始 SOC 進(jìn)行改善。此外，電流測(cè)量中的任何誤差都會(huì)導(dǎo)致 SOC 隨時(shí)間而漂移。
● 庫(kù)侖計(jì)數(shù) + 基于 OCV 的校正法有助于減少 SOC 隨時(shí)間的漂移，但它也有一些缺點(diǎn)。首先，較正次數(shù)可能不夠頻繁，因?yàn)樗鼈冎话l(fā)生在電池松弛階段；其次，校正會(huì)導(dǎo)致 SOC 跳躍，這會(huì)帶來(lái)系統(tǒng)級(jí)問(wèn)題并對(duì)最終客戶的使用產(chǎn)生負(fù)面影響。OCV 模型和電池電壓測(cè)量中的任何誤差都會(huì)對(duì)該方法產(chǎn)生極大的影響。
● MPS 混合法則應(yīng)用了小而連續(xù)的 SOC 校正，可以確保 SOC 估算值平滑，并且跟蹤真實(shí)的 SOC，因?yàn)樗ㄟ^(guò)高保真模型來(lái)完成電壓、電流和溫度的測(cè)量。此外，其算法還根據(jù)當(dāng)前運(yùn)行條件對(duì) SOC 進(jìn)行了更佳校正，同時(shí)還考慮了模型/測(cè)量的誤差。這種方法避免了對(duì)任意單個(gè)參數(shù)（例如電池電壓測(cè)量）的高精度要求。
需要注意的是，隨著時(shí)間的推移，電阻和容量等電池模型參數(shù)會(huì)發(fā)生變化，這可能會(huì)影響 SOC 的精度，即使是使用昂貴高端電池監(jiān)控器的系統(tǒng)也是如此。因此，擁有一個(gè)精確的電量計(jì)非常重要，它可以接收電池監(jiān)控器的電壓和電流同步測(cè)量值，并計(jì)算電池阻抗。先進(jìn)的電池監(jiān)控器（例如 MPS 的 MP279x 系列）均可進(jìn)行同步測(cè)量。
SOC 估算誤差解決方案
高端電量計(jì)（例如 MPS 的 MPF4279x 系列）使用混合估算法，它采用高保真模型，考慮了輸入測(cè)量的不確定性以降低不精確感測(cè)的影響，同時(shí)可跟蹤串聯(lián)電池組中每個(gè)電池的電阻上升和容量衰減 ，以便在整個(gè)電池生命周期內(nèi)保持較高的 SOC 估算精度。一套完整的估算參數(shù)還包括電池的功率限制、健康狀況 (SOH)、運(yùn)行時(shí)間以及充電時(shí)間。
MPF42791 等高端電量計(jì)能夠在給定 BM 測(cè)量精度的情況下顯著改善 SOC 估算結(jié)果，令其成為實(shí)現(xiàn)卓越性能的關(guān)鍵參數(shù)，如圖 5 所示。
圖5: 改善 SOC 估算精度
結(jié)語(yǔ)
精確估算電池 SOC 對(duì)所有電池供電應(yīng)用都非常關(guān)鍵。BMS 設(shè)計(jì)人員需要在優(yōu)化 SOC 精度與成本之間進(jìn)行權(quán)衡。通常情況下，BMS 系統(tǒng)更加青睞具有極高電壓精度的昂貴電池監(jiān)控器，以實(shí)現(xiàn)良好的 SOC 估算精度。然而，增加不必要的電池監(jiān)控器成本，卻只能起到微不足道的改進(jìn)作用；相比之下，高端電量計(jì)則能夠以更低的系統(tǒng)總成本和更短的設(shè)計(jì)時(shí)間得到更佳的 SOC 精度。
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