優(yōu)化充電狀態(tài) (SOC) 精度和電池管理系統(tǒng)設(shè)計

電池管理系統(tǒng) (BMS) 由一系列監(jiān)控和控制電池運行的電子設(shè)備組成。典型 BMS 的主要元件包括電池監(jiān)控器和保護器、電量計以及主微控制器 (MCU)（見圖 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 估算錯誤將可能導(dǎo)致電池壽命和運行時間的縮短，同時造成潛在的危險，例如系統(tǒng)意外斷電。

影響 SOC 精度的主要因素有兩個：電池監(jiān)控器的測量精度和電量計的估算精度。本文將探討這兩個因素對 SOC 最終估算精度的影響，并提供設(shè)計實踐，讓設(shè)計人員在嘗試優(yōu)化 SOC 精度與成本時能夠更好地分配資源。

電量計算法精度

電量計是負責計算電池預(yù)估 SOC 的 IC。其算法可以部署在主 MCU 中，但專用的電量計 IC 更具優(yōu)勢，如：

1. 高效率：采用單獨的電量計可以降低 MCU 的計算要求，從而提升整個系統(tǒng)的效率。

2. 高可靠性：一款成熟的電量計 IC 能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計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：電量計生產(chǎn)級別和經(jīng)過充分驗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。高精度的電量計算法需要軟件和電池工程師團隊花費數(shù)月甚至數(shù)年的時間才能開發(fā)出來。

沒有一種簡單的方法可以直接測量電池的 SOC，工程師必須根據(jù)電池監(jiān)控器測得的信號來估算 SOC。電量計的精度取決于其估算 SOC 的方法。最簡單的估算方法是庫侖計數(shù)法，它將進出電池的電流進行積分，并通過公式（1）來計算：

不過，庫侖計數(shù)法高度依賴于初始 SOC 的估計、電流測量精度以及電池的可用容量。而且，精度不高的測量結(jié)果積分后還會導(dǎo)致 SOC 估算值隨時間漂移。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明實際 SOC 與估算 SOC 一致。

除了庫倫計數(shù)法，還可以采用基于模型的方法，通過電流、電壓和溫度讀數(shù)來實現(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。當然，電壓讀數(shù)過于不精確，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 SOC 精度的影響

電池監(jiān)控器和保護器是負責感測電池電壓、電流和溫度的 IC。其測量結(jié)果將發(fā)送至電量計，由電量計根據(jù)這些讀數(shù)估算電池的 SOC。

電池監(jiān)控器是 SOC 估算過程的第一步，因此其測量精度不可避免地會對最終 SOC 估算誤差產(chǎn)生影響。在嚴重依賴庫侖計數(shù)或簡單電池模型來估算 SOC 的傳統(tǒng) BMS 中，電池監(jiān)控器的測量精度是產(chǎn)生 SOC 估算偏差的主要原因。電池組設(shè)計人員不得不努力尋求，實現(xiàn)更精確的電池電壓測量。然而，要提高 SOC 精度，采用精確的電量計算法以改進 SOC 估算能力比僅僅提高電池監(jiān)控器的電壓測量精度要有效得多。

此外，使用電池監(jiān)控器和保護器 (BMP) 配合的IC組合也是當前電池組設(shè)計的流行趨勢。BMP IC 具備一個有利條件，即電池監(jiān)控器是距離電池最近的元件，因此它是第一個檢測到潛在故障和危險的元件。這意味著 BMP IC 無需 MCU 干預(yù)即可觸發(fā)保護，使電池系統(tǒng)更加安全。

盡管一些設(shè)計人員主要依據(jù)精度來選擇電池監(jiān)控器，但測量值和實際值之間的微小偏差并不會對系統(tǒng)造成什么危險。微小的偏差不足以嚴重到阻止保護被觸發(fā)，因此不會損壞電池。

BMS 和電量計對 SOC 估算精度的影響

前文已經(jīng)描述了電量計方法和電池監(jiān)控器精度對 SOC 估算精度的影響，我們還需要評估不同的電量計方法和 BM 精度對 SOC 精度的影響。結(jié)合不同的電量計方法和 BM 精度進行多次仿真將幫助我們確定它們對 SOC 誤差的影響。圖 3 和圖 4 顯示了在不同場景下的 SOC 誤差。

圖 3 和圖 4 中的不同場景包含了十個完整的充電/放電周期，周期之間有 15 分鐘的間隙時間，初始 SOC 為 50%。在所有場景中，BM 電流測量偏移均為 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，這也意味著電池數(shù)據(jù)來自于所有電量計方法都使用的同一個模型。我們采用以下三種不同的電量計方法：

●   庫侖計數(shù)法：對進出電池的電流進行積分（注：電壓僅用于 SOC 初始化）。

●   庫侖計數(shù)+基于開路電壓(OCV) 的校正：在充電/放電期間使用庫侖計數(shù)法，在松弛階段則利用開路電壓關(guān)系進行 SOC 校正。

●   MPS 混合法：考慮了測量和數(shù)學(xué)電池模型的不確定性，可實現(xiàn)庫侖計數(shù)的短期精度和數(shù)學(xué)電池模型的長期收斂性。

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)成分對電壓測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：

●   庫侖計數(shù)法效果最差。由于缺乏反饋，它無法對不準確的初始 SOC 進行改善。此外，電流測量中的任何誤差都會導(dǎo)致 SOC 隨時間而漂移。

●   庫侖計數(shù) + 基于 OCV 的校正法有助于減少 SOC 隨時間的漂移，但它也有一些缺點。首先，較正次數(shù)可能不夠頻繁，因為它們只發(fā)生在電池松弛階段；其次，校正會導(dǎo)致 SOC 跳躍，這會帶來系統(tǒng)級問題并對最終客戶的使用產(chǎn)生負面影響。OCV 模型和電池電壓測量中的任何誤差都會對該方法產(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，并且跟蹤真實的 SOC，因為它通過高保真模型來完成電壓、電流和溫度的測量。此外，其算法還根據(jù)當前運行條件對 SOC 進行了更佳校正，同時還考慮了模型/測量的誤差。這種方法避免了對任意單個參數(shù)（例如電池電壓測量）的高精度要求。

需要注意的是，隨著時間的推移，電阻和容量等電池模型參數(shù)會發(fā)生變化，這可能會影響 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，擁有一個精確的電量計非常重要，它可以接收電池監(jiān)控器的電壓和電流同步測量值，并計算電池阻抗。先進的電池監(jiān)控器（例如 MPS 的 MP279x 系列）均可進行同步測量。

SOC 估算誤差解決方案

高端電量計（例如 MPS 的 MPF4279x 系列）使用混合估算法，它采用高保真模型，考慮了輸入測量的不確定性以降低不精確感測的影響，同時可跟蹤串聯(lián)電池組中每個電池的電阻上升和容量衰減 ，以便在整個電池生命周期內(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)、運行時間以及充電時間。

MPF42791 等高端電量計能夠在給定 BM 測量精度的情況下顯著改善 SOC 估算結(jié)果，令其成為實現(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

精確估算電池 SOC 對所有電池供電應(yīng)用都非常關(guān)鍵。BMS 設(shè)計人員需要在優(yōu)化 SOC 精度與成本之間進行權(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作用；相比之下，高端電量計則能夠以更低的系統(tǒng)總成本和更短的設(shè)計時間得到更佳的 SOC 精度。