用于高壓電池組的新型電量計(jì)解決方案

鋰離子電池的普及正在推動電動汽車、醫(yī)療和機(jī)器人市場的蓬勃發(fā)展。不僅如此，當(dāng)前的應(yīng)用需求不斷驅(qū)動大型電池組的應(yīng)用，以實(shí)現(xiàn)更大的范圍、更長的壽命和更卓越的功率能力。

在基于電池的應(yīng)用中，估計(jì)電池的內(nèi)部狀態(tài)對保證其性能至關(guān)重要。這項(xiàng)任務(wù)一般由電量計(jì)完成。電量計(jì)可以準(zhǔn)確估算電池內(nèi)部狀態(tài)，同時提供有關(guān)電池的關(guān)鍵信息，例如充電狀態(tài) (SoC)、健康狀況 (SoH) 和功率限制。不過，開發(fā)如此復(fù)雜的算法需要深入了解鋰離子電池的化學(xué)特性、非線性狀態(tài)估算技術(shù)和控制理論方面的專業(yè)知識，同時花費(fèi)大量的資源和時間。

本文將介紹一種用于高壓電池組的新型、高適應(yīng)性電量計(jì)，它能夠在保持高估算精度的同時大幅縮短上市時間。本文將重點(diǎn)關(guān)注四個關(guān)鍵方面：高級算法設(shè)計(jì)、簡單系統(tǒng)集成、輕松配置和快速虛擬驗(yàn)證。

電量計(jì)利用可測量參數(shù)（例如電流、電壓和溫度）來推斷電池的內(nèi)部狀態(tài)。電流估算法（例如庫侖計(jì)數(shù)）監(jiān)測進(jìn)出電池的電荷，而電壓估算法則依賴于電壓查找表。但這些方法如果單獨(dú)使用，其結(jié)果都不盡如人意。

還有一種方法是基于模型的狀態(tài)估算法，它結(jié)合了電流法和電壓法。但模型法依賴單個電池的數(shù)學(xué)模型來捕獲電池最重要的動態(tài)參數(shù)，如開路電壓和擴(kuò)散電壓。而這些動態(tài)參數(shù)受內(nèi)部和環(huán)境因素的嚴(yán)重影響，因此對這些參數(shù)的提取取決于整個電池工作范圍內(nèi)定義的表征測試。

我們以MPS 的MPF4279x系列產(chǎn)品為例進(jìn)行說明。MPF4279x是MPS提供的新型電量計(jì)系列，它采用基于模型的高級狀態(tài)估算法來提供高精度的電池信息，例如電池組充電狀態(tài)、剩余充電時間、運(yùn)行時間 、健康狀況和功率限制。

表 1 列舉了在不同工作條件下，應(yīng)用 MPF42790的電池組充電狀態(tài)性能指標(biāo)。表中的指標(biāo)對應(yīng)充電狀態(tài)均方根誤差（和最大充電狀態(tài)誤差）。

表1: MPF42790充電狀態(tài)性能

表 1 列舉了應(yīng)用MPF42790的電池組充電狀態(tài)估算性能，它實(shí)現(xiàn)了0.64% 的充電狀態(tài)均方根誤差和 1.46% 的最大充電狀態(tài)誤差。 測試包括一個完整的 1C 恒流充電和恒壓充電，當(dāng)充電電流降至 0.1C 時終止充電，然后在 15°C環(huán)境溫度下在多電池組上進(jìn)行 1C 恒流放電。

圖1: MPF42790在一個完整1C充/放電循環(huán)中的性能

MPS 的電量計(jì)算法依賴于高保真電池模型，該模型通過專有表征序列、專有分析和先進(jìn)的工具生成。系統(tǒng)允許用戶輕松地將任一種模型加載到電量計(jì)中（見圖 2）。

圖2: 電池?cái)?shù)學(xué)模型的生成

電量計(jì)必須實(shí)時提供準(zhǔn)確的電池狀態(tài)估計(jì)。但電量計(jì)依賴于周期性的單個電池參數(shù)測量（例如電壓、電流和溫度），所以電量計(jì)的準(zhǔn)確性和可靠性取決于測量的準(zhǔn)確性和可靠性。

例如，電池組內(nèi)單個電池的分布會導(dǎo)致由于散熱不均而產(chǎn)生溫度梯度（見圖3）。因此，電量計(jì)必須能夠讀取多個溫度傳感器，以獲得高精度的單電池級溫度讀數(shù)。否則，無論電池模型精度多高，也不可能準(zhǔn)確估算電池狀態(tài)。

這種新穎的架構(gòu)通過模擬前端 (AFE) 接收高分辨率、已校準(zhǔn)的測量數(shù)據(jù)。它兼容市場上的任意一種AFE，并且很容易集成到新的或現(xiàn)有的電子設(shè)計(jì)中（見圖3）。而且，用戶可以從這種前所未有的電池組內(nèi)部電壓可見性中受益，洞察每個單電池各自的運(yùn)行狀態(tài)及其對電池組動態(tài)的影響。

圖3: 電池管理系統(tǒng)(BMS)電量計(jì)架構(gòu)

隨著電池組中每個單電池的電量變得不均衡或在不同溫度下運(yùn)行，每個單電池的化學(xué)阻抗開始產(chǎn)生偏差，這縮短了電池組的運(yùn)行時間和范圍。 電池組的可用充電狀態(tài)受最弱電池的限制，因此監(jiān)控單個電池的電壓可以使電量計(jì)實(shí)時提供更精確的電池組充電狀態(tài)估算。

電量計(jì)可以準(zhǔn)確估算電池組中每個電池（或并聯(lián)電池組）的實(shí)際狀態(tài)，同時估算電池的滿電和空電狀態(tài)（即電池組的100%充電狀態(tài)或0%充電狀態(tài)）。這些電量計(jì)解決方案提供的滿點(diǎn)和空點(diǎn)，反映出電池組電壓的特定應(yīng)用限制，以及強(qiáng)制的安全工作電壓行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，例如 IEC62133。

電量計(jì)的運(yùn)行取決于鋰離子電池的數(shù)學(xué)模型。由于電池系統(tǒng)與生俱來的復(fù)雜性，必須調(diào)整多個參數(shù)以優(yōu)化電量計(jì)。

即使提供了電池模型，由于參數(shù)數(shù)量較多，基于電池的系統(tǒng)仍然需要漫長的驗(yàn)證過程。較長的驗(yàn)證過程可能會導(dǎo)致測試計(jì)劃嚴(yán)重受挫，增加成本且延遲上市時間。為了解決這個問題，我們通過圖形用戶界面 (GUI) 來簡化電量計(jì)操作，實(shí)現(xiàn)用戶的手動微調(diào)。

例如，MPS 的電量計(jì) GUI 建立了兩種特定的配置模式：基本配置模式和高級配置模式。基本模式允許用戶配置使電量計(jì)運(yùn)行的主要參數(shù)（見圖4），而高級（也稱為專家）模式允許用戶為其設(shè)計(jì)添加附加設(shè)置。而且，MPS 電量計(jì)可以自動調(diào)整參數(shù)，這對電池組的實(shí)時充電狀態(tài)估算有很大的意義。

圖4: MPS的電量計(jì)GUI

電量計(jì)必須經(jīng)過多項(xiàng)測試以驗(yàn)證其操作。這些測試旨在模擬電池在最終應(yīng)用中的典型使用、電池的老化以及在特定條件（例如極端溫度或大電流）下的行為。

但是，如果電量計(jì)設(shè)置發(fā)生變化，許多驗(yàn)證測試都必須重做以確保其最佳性能，這會花費(fèi)更多資源和時間。理想情況下，一組測試即確定最佳電量計(jì)配置，同時還可以降低安全風(fēng)險(xiǎn)和上市時間。

MPF42790 具有的新功能能夠在不同的配置參數(shù)下快速重新模擬任意電池組的測試（見圖 5）。首先，GUI記錄測試數(shù)據(jù)并將其導(dǎo)出為通用的文件格式；然后，導(dǎo)出的測試數(shù)據(jù)被加載到 GUI 中，通過更新后的電量計(jì)設(shè)置重新模擬測試。

該功能還可實(shí)現(xiàn)更快速的定制支持，因?yàn)橛涗浵聛淼臏y試數(shù)據(jù)和電量計(jì)配置文件可以隨時與 MPS分享，以用于復(fù)制和結(jié)果分析。

圖5: 包含虛擬模擬的電量計(jì)驗(yàn)證流程圖（虛線）

基于電池的解決方案越來越受歡迎，我們需要應(yīng)對與之相關(guān)的一系列挑戰(zhàn)，以確保安全操作和用戶滿意度。其中之一即如何準(zhǔn)確估算堆疊式鋰電池組的電池內(nèi)部狀態(tài)，因?yàn)閱坞姵乜梢蕴峁┱麄€電池組運(yùn)行的關(guān)鍵信息。

電量計(jì)（如MPS 的 MPF42790）除了提供適應(yīng)性設(shè)計(jì)、簡單的圖形用戶界面和虛擬測試功能之外，還必須實(shí)現(xiàn)最佳性能。這種高適應(yīng)性的設(shè)備可以使設(shè)計(jì)人員重新模擬之前記錄的測試，從而極大地加快配置、測試和驗(yàn)證速度。