优化充电形态 (SOC) 精度以及电池规画零星妄想

2024-11-08 16:54:41 分类：探索 阅读(36694)

电池规画零星 (BMS) 由一系列监控以及操作电池运行的优化电子配置装备部署组成 。典型 BMS 的充电主要元件搜罗电池监控器以及呵护器、电量计以及主微操作器 (MCU)（见图 1）。形态 

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图1: BMS 架构

BMS 最紧张的度及电池参数之一是充电形态 (SOC) 的估算精度。SOC 估算过错将可能导致电池寿命以及运行光阴的规画延迟 ，同时组成潜在的零星危害 ，好比零星意外断电。妄想

影响 SOC 精度的优化主要因素有两个：电池监控器的丈量精度以及电量计的估算精度。本文将品评辩说这两个因素对于 SOC 最终估算精度的充电影响，并提供妄想实际 ，形态让妄想职员在试验优化 SOC 精度与老本时可能更好地调配资源。度及电池

电量合计法精度

电量计是规画负责合计电池预估 SOC 的 IC。其算法可能部署在主 MCU 中，零星但专用的妄想电量计 IC 更具优势，如：

1. 高功能：接管径自的优化电量计可能飞腾 MCU 的合计要求，从而提升全部零星的功能 。

2. 高坚贞性：一款成熟的电量计 IC 可能实现妄想冗余并确保确定水平的 SOC 精度，从而后退零星的部份安妥性 。

3. 快捷上市：电量计破费级别以及经由短缺验证的算法可适用于多种电池规范，因此可削减工程资源需要。高精度的电量合计法需要软件以及电池工程师团队破费数月致使数年的光阴能耐开拓进去 。

不一种重大的措施可能直接丈量电池的 SOC，工程师必需凭证电池监控器测患上的信号来估算 SOC 。电量计的精度取决于其估算 SOC 的措施。最重大的估算措施是库仑计数法
，它将收支电池的电流妨碍积分，并经由公式（1）来合计 ：

不外 ，库仑计数法高度依赖于初始 SOC 的估量
、电流丈量精度以及电池的可用容量
。而且，精度不高的丈量服从积分后还会导致 SOC 估算值随光阴漂移。因此
，这种措施不能保障服从的收敛性，而惟独收敛性能耐剖析实际 SOC 与估算 SOC 不同 。

除了库伦计数法 ，还可能接管基于模子的措施，经由电流、电压以及温度读数来实现 SOC 的收敛性 ，并运用数学电池模子将这些读数与估算 SOC 分割关连起来。尽管 ，电压读数过于禁绝确，再加之低保真的模子 ，也可能发生较大的 SOC 倾向
。

电池监控器 (BM) 对于 SOC 精度的影响

电池监控器以及呵护器是负责感测电池电压、电流以及温度的 IC。其丈量服从将发送至电量计
，由电量计凭证这些读数估算电池的 SOC 。

电池监控器是 SOC 估算历程的第一步 ，因此其丈量精度不可防止地会对于最终 SOC 估算倾向发生影响。在严正依赖库仑计数或者重大电池模子来估算 SOC 的传统 BMS 中 ，电池监控器的丈量精度是发生 SOC 估算倾向的主要原因 。电池组妄想职员不患上不自动谋求
，实现更精确的电池电压丈量 。可是
，要后退 SOC 精度，接管精确的电量合计法以改善 SOC 估算能耐比仅仅后退电池监控器的电压丈量精度要实用良多。

此外，运用电池监控器以及呵护器 (BMP) 配合的IC组合也因此后电池组妄想的盛行趋向
。BMP IC 具备一个有利条件 ，即电池监控器是距离电池最近的元件，因此它是第一个检测到潜在倾向微危害的元件
。这象征着 BMP IC 无需 MCU 干涉即可触发呵护 ，使电池零星愈加清静 。

尽管一些妄想职员主要凭证精度来抉择电池监控器，但丈量值以及实际值之间的庞详尽向并不会对于零星组成甚么危害。重大的倾向缺少以严正到克制呵护被触发 ，因此不会破损电池。

BMS 以及电量计对于 SOC 估算精度的影响

前文已经形貌了电量计措施以及电池监控器精度对于 SOC 估算精度的影响
，咱们还需要评估差距的电量计措施以及 BM 精度对于 SOC 精度的影响。散漫差距的电量计措施以及 BM 精度妨碍一再仿真将辅助咱们判断它们对于 SOC 倾向的影响。图 3 以及图 4 展现了在差距场景下的 SOC 倾向。

图 3 以及图 4 中的差距场景搜罗了十个残缺的充电/放电周期 ，周期之间有 15 分钟的间隙光阴，初始 SOC 为 50% 。在所有场景中 ，BM 电流丈量偏移均为 20mA 。为了最大限度地削减由于模子禁绝确而导致的倾向，咱们接管了事实化的数学模子，这也象征着电池数据来自于所有电量计措施都运用的统一个模子。咱们接管如下三种差距的电量计措施
：

●   库仑计数法：对于收支电池的电流妨碍积分（注
：电压仅用于 SOC 初始化） 。

●   库仑计数+基于开路电压(OCV) 的校对于 ：在充电/放电时期运用库仑计数法，在败坏阶段则运用开路电压关连妨碍 SOC 校对于
。

●   MPS 混合法
：思考了丈量以及数学电池模子的不断定性  ，可实现库仑计数的短期精度以及数学电池模子的临时收敛性。

图 3 展现了锂镍锰钴氧化物 (NMC) 化学电池的 SOC 倾向。 

图3: SOC 倾向（NMC 电池示例）

图 4 展现了磷酸铁锂 (LFP) 化学电池的 SOC 倾向。留意 
，由于 LFP 具备平展的 OCV ，因此其化学成份对于电压丈量的禁绝确性愈加敏感。

图4: SOC 倾向（LFP 电池示例）

由图 3 以及图 4 可知：

●   库仑计数法下场最差。由于缺少反映，它无奈对于禁绝确的初始 SOC 妨碍改善。此外，电流丈量中的任何倾向都市导致 SOC 随光阴而漂移 。

●   库仑计数 + 基于 OCV 的校对于法有助于削减 SOC 随光阴的漂移，但它也有一些缺陷
。首先，较正次数可能不够频仍 ，由于它们只爆发在电池败坏阶段；其次 ，校对于会导致 SOC 跳跃 ，这会带来零星级下场并对于最终客户的运用发生负面影响 。OCV 模子以及电池电压丈量中的任何倾向都市对于该措施发生极大的影响 。

●   MPS 混合纪律运用了小而不断的 SOC 校对于，可能确保 SOC 估算值滑腻，而且跟踪真正的 SOC ，由于它经由高保真模子来实现电压、电流以及温度的丈量 。此外，其算法还凭证之后运行条件对于 SOC 妨碍了更佳校对于，同时还思考了模子/丈量的倾向。这种措施防止了对于恣意单个参数（好比电池电压丈量）的高精度要求
。

需要留意的是，随着光阴的推移 ，电阻以及容量等电池模子参数会爆发变更 ，这可能会影响 SOC 的精度，纵然是运用高尚高端电池监控器的零星也是如斯 。因此
 ，具备一个精确的电量计颇为紧张，它可能接管电池监控器的电压以及电流同步丈量值，并合计电池阻抗。先进的电池监控器均可妨碍同步丈量。

SOC 估算倾向处置妄想

高端电量计（好比 MPS 的 MPF4279x 系列）运用混合估算法，它接管高保真模子
，思考了输入丈量的不断定性以飞腾禁绝确感测的影响 ，同时可跟踪串联电池组中每一个电池的电阻回升以及容量衰减 ，以便在全部电池性命周期内坚持较高的 SOC 估算精度。一套残缺的估算参数还搜罗电池的功率限度、瘦弱情景 (SOH)、运行光阴以及充电光阴
。

MPF42791 等高端电量计可能在给定 BM 丈量精度的情景下清晰改善 SOC 估算服从
，令其成为实现卓越功能的关键参数 ，如图 5 所示。 

图5: 改善 SOC 估算精度

结语

精确估算电池 SOC 对于所有电池供电运用都颇为关键 。BMS 妄想职员需要在优化 SOC 精度与老本之间妨碍掂量 。个别情景下
，BMS 零星愈加喜爱具备极高电压精度的高尚电池监控器，以实现精采的 SOC 估算精度 
。可是，削减不用要的电池监控器老本，却只能起到微乎其微的改善熏染；比照之下，高端电量计则可能以更低的零星总老本以及更短的妄想光阴患上到更佳的 SOC 精度
。