采用MPF4279X 系列產(chǎn)品精確估算充電狀態(tài)（上篇）

概述

隨著電池性能的大幅提升，越來越多的應(yīng)用使用電池包提供能量。在電池管理系統(tǒng) (BMS)中，如何精確估算電池充電狀態(tài) (SoC) 是設(shè)計者需要考慮的重點與難點。SoC是指與電池容量相關(guān)的電池充電水平。

SoC 通常表示為 0% 到 100% 之間的百分?jǐn)?shù)。SoC = 0% 意味著電池放電完全；SoC = 100% 則表示電池完全充滿。SoC 可以幫助計算常用電子設(shè)備的電量，如手機、智能手表和電動汽車等。然而，由于電池復(fù)雜的化學(xué)特性， SoC 估算常會出現(xiàn)誤差。

本系列的兩篇文章將針對SoC 的估算展開討論。其中上篇將探討了電池條件在 SoC 估算中的復(fù)雜應(yīng)用，并介紹了其中一種估算 SoC 的方法。下篇 將討論其他方法，并介紹 MPF4279x 系列產(chǎn)品。.

SoC估算挑戰(zhàn)

放電時，電池電壓小于一定值，則認(rèn)為電池放空；充電時，電池以恒壓充電或當(dāng)電流小于一定值時，則認(rèn)為電池充滿。在電池從放空到充滿的過程中，電池的容量可能會因多種因素而變化。

由于電池存在內(nèi)阻，充放電倍率不同會導(dǎo)致電池可使用的容量不同。圖 1 顯示了在不同放電電流幅度下的電池電壓。

圖 1：電池容量與放電率

不同材料的電池都會受到溫度的影響，特別是在低溫狀態(tài)下，電池的性能會有所降低。圖 2 顯示了在寬溫度范圍內(nèi)的電池容量。

圖 2：電池容量與溫度

電池壽命的狀態(tài)特性也和容量有關(guān)。通常，電池壽命在使用過程中會逐步衰減。這種衰減主要是由于正負(fù)極材料晶體的塌陷和電極的鈍化導(dǎo)致了有效鋰離子的損耗。另外，電池總電量也將從生命周期開始 (BOL) 向生命周期結(jié)束 (EOL)狀態(tài)趨近。因此在計算 SoC 時，需要考慮采用 BOL 時刻的總?cè)萘窟€是當(dāng)前壽命下的實際總?cè)萘俊?/p>

除了變化的電池容量之外，每節(jié)電池的 SoC 狀態(tài)也會影響整個電池包的 SoC 估算。當(dāng)多節(jié)電池串聯(lián)時，電池電壓可能會不平衡。

SoC算法簡介

計算 SoC 的關(guān)鍵方法有 3 種：開路電壓 (OCV)、安時積分和電壓-電流混合法。本文將介紹第一種方法，其余方法將在下篇討論。

開路電壓 (OCV) 法

OCV法是基于電池OCV與電池內(nèi)部鋰離子濃度變化關(guān)系的最早的電池容量測試方法之一。 它反映了OCV和SoC之間的單調(diào)遞增關(guān)系。

OCV法雖然簡單方便，但估算的精度不高，而且只能在電池長時間靜置狀態(tài)下估算 SoC。當(dāng)電池有電流通過時，電池內(nèi)阻產(chǎn)生的壓降會影響 SoC 估算精度。與此同時，磷酸鐵鋰等電池類型還可能存在電壓平臺。在SoC 30% 至80% 期間，端電壓與 SoC 曲線近似為直線，這也放大了 SoC 估算的誤差（見圖 3）。

圖 3：鋰電池 OCV 與 SoC 的關(guān)系

為解決這些問題，設(shè)計人員對OCV 法進行補充，引入電池內(nèi)阻來校正并精確估算 OCV。當(dāng)電池通過電流時，通過將實際測得的電池端電壓減去 I*R 來校正負(fù)載下的電壓。估算 SoC (V) 的公式(1)如下所示。

$$V = OCV - I times R(SoC, T)$$

其中 ，OCV 為開路電壓，I 為施加的電流，R 則是取決于 SoC 和溫度 (T)的等效串聯(lián)電阻。請注意，在該式中，正電流用于放電，負(fù)電流用于充電。

基于內(nèi)阻補償?shù)腛CV法提升了SoC 的估算精度，但是實際應(yīng)用時由于其復(fù)雜的電化學(xué)特性，電池電壓無法立即響應(yīng)負(fù)載變化，而是有一定延遲。這種延遲與電池電壓響應(yīng)的時間常數(shù)相關(guān)，范圍從毫秒到數(shù)千秒。同時電池的內(nèi)部阻抗在不同條件下變化較大，因此SoC 的精確估算依賴于阻抗的精準(zhǔn)估算。

結(jié)語

本文介紹了 SoC 估算的概念，以及精確估算SoC 的難點，另外還介紹了一種估算 SoC 的方法。 下篇 擴展討論另兩種估算方法，并明確采用 MPF4279x 系列產(chǎn)品 精確測量 SoC 的優(yōu)勢所在。

審核編輯：湯梓紅