電池管理系統(tǒng)中SOC估算與能量均衡管理的設(shè)計(jì)

程遠(yuǎn)燊 張春陽(yáng) 張昉 許秋平

摘? ?要：在各種儲(chǔ)能技術(shù)中，電池儲(chǔ)能技術(shù)更加成熟可靠，且系統(tǒng)安裝靈活、建設(shè)周期短，非常適用于當(dāng)前的各種工程應(yīng)用中。在電池儲(chǔ)能技術(shù)中電池管理系統(tǒng)BMS（Battery Management System）是不可或缺的，而B(niǎo)MS中最重要的兩項(xiàng)技術(shù)就是本文所要討論的SOC（State of Charge）估算和能量均衡管理。本文對(duì)BMS中的兩項(xiàng)核心技術(shù)：SOC估算與能量均衡管理進(jìn)行了詳細(xì)的討論，提出了兩種簡(jiǎn)單易行且較為準(zhǔn)確的方法來(lái)進(jìn)行SOC估算與能量均衡管理。

關(guān)鍵詞：電池管理系統(tǒng)? SOC估算? 能量均衡

中圖分類(lèi)號(hào)：TM912? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2019）05（a）-0119-02

1? BMS硬件電路設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)使用CAN總線(xiàn)進(jìn)行通訊，SOC估算和能量均衡所需的各種數(shù)據(jù)（電壓、電流等）需要從CAN總線(xiàn)上獲取，從CAN總線(xiàn)上獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)入數(shù)據(jù)采集模塊。該模塊可將儲(chǔ)能系統(tǒng)和上位機(jī)有機(jī)地連接起來(lái)。

CAN總線(xiàn)上的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)CAN收發(fā)器接收，經(jīng)過(guò)光電隔離將數(shù)據(jù)傳送到CAN控制器，CAN控制器可以將光電隔離后的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行通訊方式，MCU將CAN控制器傳送來(lái)的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)接口轉(zhuǎn)換送至上位機(jī)。MCU可以選用單片機(jī)或DSP，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行控制或選擇，并將CAN控制器中的數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)。

2? SOC估算

SOC估算，即剩余電量評(píng)估。當(dāng)前時(shí)刻SOC的值可以直接反映出目前系統(tǒng)的剩余電量，通過(guò)SOC的值可以預(yù)估系統(tǒng)是否應(yīng)該充放電，精確的SOC值是系統(tǒng)進(jìn)行能量均衡、過(guò)充過(guò)放保護(hù)等功能的重要依據(jù)，SOC估算是整個(gè)PMS系統(tǒng)的基礎(chǔ)與核心。但是SOC的值無(wú)法直接在線(xiàn)測(cè)量，因此需要用一些特殊的方法來(lái)間接計(jì)算出SOC的值。

2.1 電荷累積法

預(yù)先知道上一時(shí)刻電池的剩余電量狀態(tài)，并對(duì)上一時(shí)刻到目前時(shí)刻這一段時(shí)間內(nèi)電池充入或放出的電荷進(jìn)行計(jì)算統(tǒng)計(jì)，從而得到當(dāng)前電池荷電狀態(tài)的一種方法。

假設(shè)上一時(shí)刻電池的剩余電量為，當(dāng)前時(shí)刻電池的剩余電量為，從t1到t2期間電池充入、放出的累積電量為。

首先根據(jù)公式計(jì)算出，然后由=-計(jì)算出，進(jìn)而由公式計(jì)算出當(dāng)前時(shí)刻的SOC，其中為電池的額定容量。

此外，要想得到更為精確的SOC，使用電荷累積法計(jì)算時(shí)，還應(yīng)該將電池的充放電效率這個(gè)因素考慮進(jìn)去。用η來(lái)表示充放電效率系數(shù)，可由Peukert方程結(jié)合兩組電池剩余電量與放電電流求得。因此修正后。

電荷累積法的關(guān)鍵是對(duì)某一時(shí)間段內(nèi)的電流進(jìn)行積分，因此這種方法只能在系統(tǒng)正在工作時(shí)使用，如果系統(tǒng)停止工作，想要得到系統(tǒng)的SOC，電荷累積法就不再適用了。此時(shí)，想要得到系統(tǒng)的SOC，需要使用另外一種方法——開(kāi)路電壓法。

2.2 開(kāi)路電壓法

開(kāi)路電壓法是在系統(tǒng)不工作時(shí)通過(guò)測(cè)量電池的開(kāi)路電壓OCV（Open Circuit Voltage）來(lái)估算SOC的一種方法。使用開(kāi)路電壓法是將電池的開(kāi)路電壓認(rèn)為與電池SOC具有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。

當(dāng)系統(tǒng)不工作時(shí)，可以使用開(kāi)路電壓法對(duì)電荷累積法所求得的SOC進(jìn)行校正。故本次設(shè)計(jì)使用復(fù)合型評(píng)估的方法，即當(dāng)系統(tǒng)處于工作狀態(tài)時(shí)，用電荷累積法實(shí)時(shí)更新SOC值，同時(shí)，為了消除電荷累積法的累積誤差，并解決電荷累積法的初始SOC評(píng)估問(wèn)題，在電池組每次啟動(dòng)時(shí)，或電池組存在短暫不工作的時(shí)期，利用開(kāi)路電壓法對(duì)SOC進(jìn)行校準(zhǔn)。

2.3 初始SOC的確定

要獲得準(zhǔn)確的SOC，需要知道初始SOC的值。初始SOC可以通過(guò)電池測(cè)試步驟獲得SOC-OCV曲線(xiàn)來(lái)獲得。也可以用另一種方法來(lái)獲得：先將電池靜置一段時(shí)間，然后單獨(dú)充放電，此時(shí)電池一般處于較為穩(wěn)定的狀態(tài)，與開(kāi)路電壓在一定范圍內(nèi)呈線(xiàn)性關(guān)系，并且不易受外界因素（如溫度、電池老化等）影響。因此在電池開(kāi)始充放電時(shí)，可以通過(guò)以下公式計(jì)算初始SOC：SOC0=（U0-V）/（W-V）。式中 SOC0表示初始時(shí)刻t0的SOC，U0表示電池t0時(shí)的開(kāi)路電壓，W表示電池完全放電時(shí)的開(kāi)路電壓，V表示電池充滿(mǎn)電時(shí)的開(kāi)路電壓。

3? 能量均衡

本次設(shè)計(jì)的能量均衡管理由電池組均衡電路、嵌入式處理器、數(shù)據(jù)采集芯片這幾部分組成。嵌入式處理器為能量均衡管理的核心，與數(shù)據(jù)采集芯片通信，并且處理從數(shù)據(jù)采集芯片上得到的數(shù)據(jù)。

3.1 電壓采集電路的設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)使用的數(shù)據(jù)采集芯片為L(zhǎng)inear Technology 生產(chǎn)的LTC6802-1芯片。LTC6802-1芯片具有電壓采集和均衡控制功能，功耗低，可直接使用鋰電池組給其供電。LTC6802-1內(nèi)置12位ADC，可以對(duì)12個(gè)串聯(lián)單體電池進(jìn)行電壓采集，并且內(nèi)部集成了多路模擬開(kāi)關(guān)，精準(zhǔn)度高。此種方式可以很方便地采集到12個(gè)單體電池的電壓，通過(guò)LTC6802-1中內(nèi)置的12位ADC，將采集到的電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，進(jìn)而將電池的電壓數(shù)據(jù)傳遞給嵌入式處理器進(jìn)行進(jìn)一步的分析和處理。

3.2 均衡電路的設(shè)計(jì)

電池的能量均衡控制電路一般分為耗散型能量均衡控制管理和非耗散型能量均衡控制管理。耗散型均衡控制管理是利用并聯(lián)電阻等方式將電池中荷電狀態(tài)較多的電池能量消耗掉，直到與組內(nèi)其他電池達(dá)到均衡，進(jìn)而達(dá)到各個(gè)電池之間的均衡。非耗散型均衡控制管理是利用中間儲(chǔ)能元件和一系列的開(kāi)關(guān)元件，將荷電狀態(tài)較高的電池的能量轉(zhuǎn)移到荷電狀態(tài)較低的電池中，以達(dá)到均衡的目的。

本次設(shè)計(jì)的均衡電路采用非耗散型均衡電路，基于相鄰電池間能量轉(zhuǎn)移的均衡。這種方法是通過(guò)一步一步縮小各個(gè)相鄰單體電池之間的能量差距進(jìn)而來(lái)實(shí)現(xiàn)整體的均衡。

此電路中，場(chǎng)效應(yīng)管由MCU的I/O口進(jìn)行控制。若需要把電池BAT1的電荷往BAT2中轉(zhuǎn)移，則在MCU_P1產(chǎn)生控制序列，MCU_P2與MOSFET柵極之間存在電容C2，Q2處于關(guān)閉狀態(tài)。因?yàn)镸CU_P1如上圖所示變化，Q1則受到通過(guò)C1的高頻控制信號(hào)的影響進(jìn)而有規(guī)律地通斷。當(dāng)Q1導(dǎo)通時(shí)，電池BAT1的電流通過(guò)Q1流向電感L1，電感L1持續(xù)充能。當(dāng)Q1關(guān)斷時(shí)，因?yàn)殡姼须娏鞑荒芡蛔兊奶匦?，流?jīng)L1的電流不能立刻突變，電流會(huì)沿著L1、BAT2和D2組成的回路繼續(xù)流動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)BAT2的充電。這就是電池BAT1向相鄰電池BAT2轉(zhuǎn)移電量的全過(guò)程，以此為例，系統(tǒng)中其他相鄰的電池也可以用此種方法進(jìn)行電量的轉(zhuǎn)移。

4? 結(jié)語(yǔ)

使用電荷累積法與開(kāi)路電壓法相結(jié)合的方法進(jìn)行SOC估算，該方法簡(jiǎn)單易行，并且可以獲得較為準(zhǔn)確的SOC。能量均衡管理上，通過(guò)相鄰單體電池間的能量交換來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)電池組的能量均衡，此方法電路簡(jiǎn)單，可行性高，穩(wěn)定性強(qiáng)。

參考文獻(xiàn)

[1] 鄭航波.新型電動(dòng)汽車(chē)鋰電池管理系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[D].清華大學(xué)，2004.

[2] 金一丁，宋強(qiáng)，劉文華.大容量鏈?zhǔn)诫姵貎?chǔ)能系統(tǒng)及其充放電均衡控制[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2011，31（3）：6-11.

[3] 王震坡，孫逢春，林程.不一致性對(duì)動(dòng)力電池組使用壽命影響的分析[J].北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，26（7）：577-580.