用于高壓電池組的新型電量計解決方案

簡介

鋰離子電池的普及正在推動電動汽車、醫療和機器人市場的蓬勃發展。不僅如此，當前的應用需求不斷驅動大型電池組的應用，以實現更大的范圍、更長的壽命和更卓越的功率能力。

在基于電池的應用中，估計電池的內部狀態對保證其性能至關重要。這項任務一般由電量計完成。電量計可以準確估算電池內部狀態，同時提供有關電池的關鍵信息，例如充電狀態 (SoC)、健康狀況 (SoH) 和功率限制。不過，開發如此復雜的算法需要深入了解鋰離子電池的化學特性、非線性狀態估算技術和控制理論方面的專業知識，同時花費大量的資源和時間。

本文將介紹一種用于高壓電池組的新型、高適應性電量計，它能夠在保持高估算精度的同時大幅縮短上市時間。本文將重點關注四個關鍵方面：高級算法設計、簡單系統集成、輕松配置和快速虛擬驗證。

高級電量計算法設計

電量計利用可測量參數（例如電流、電壓和溫度）來推斷電池的內部狀態。電流估算法（例如庫侖計數）監測進出電池的電荷，而電壓估算法則依賴于電壓查找表。但這些方法如果單獨使用，其結果都不盡如人意。

還有一種方法是基于模型的狀態估算法，它結合了電流法和電壓法。但模型法依賴單個電池的數學模型來捕獲電池最重要的動態參數，如開路電壓和擴散電壓。而這些動態參數受內部和環境因素的嚴重影響，因此對這些參數的提取取決于整個電池工作范圍內定義的表征測試。

我們以MPS 的MPF 4279x系列產品為例進行說明。MPF 4279x是MPS提供的新型電量計系列，它采用基于模型的高級狀態估算法來提供高精度的電池信息，例如電池組充電狀態、剩余充電時間、運行時間 、健康狀況和功率限制。

表 1 列舉了在不同工作條件下，應用MPF42790的電池組充電狀態性能指標。表中的指標對應充電狀態均方根誤差（和最大充電狀態誤差）。

表1:MPF42790充電狀態性能

表 1 列舉了應用MPF42790的電池組充電狀態估算性能，它實現了0.64% 的充電狀態均方根誤差和 1.46% 的最大充電狀態誤差。 測試包括一個完整的 1C 恒流充電和恒壓充電，當充電電流降至 0.1C 時終止充電，然后在 15°C環境溫度下在多電池組上進行 1C 恒流放電。

圖1:MPF42790在一個完整1C充/放電循環中的性能

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

圖2: 電池數學模型的生成

簡單的電量計系統集成

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

例如，電池組內單個電池的分布會導致由于散熱不均而產生溫度梯度（見圖3）。因此，電量計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。否則，無論電池模型精度多高，也不可能準確估算電池狀態。

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

圖3: 電池管理系統(BMS)電量計架構

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行，每個單電池的化學阻抗開始產生偏差，這縮短了電池組的運行時間和范圍。 電池組的可用充電狀態受最弱電池的限制，因此監控單個電池的電壓可以使電量計實時提供更精確的電池組充電狀態估算。

電量計可以準確估算電池組中每個電池（或并聯電池組）的實際狀態，同時估算電池的滿電和空電狀態（即電池組的100%充電狀態或0%充電狀態）。這些電量計解決方案提供的滿點和空點，反映出電池組電壓的特定應用限制，以及強制的安全工作電壓行業標準，例如 IEC62133。

輕松進行電量計配置

電量計的運行取決于鋰離子電池的數學模型。由于電池系統與生俱來的復雜性，必須調整多個參數以優化電量計。

即使提供了電池模型，由于參數數量較多，基于電池的系統仍然需要漫長的驗證過程。較長的驗證過程可能會導致測試計劃嚴重受挫，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) 來簡化電量計操作，實現用戶的手動微調。

例如，MPS 的電量計 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運行的主要參數（見圖4），而高級（也稱為專家）模式允許用戶為其設計添加附加設置。而且，MPS 電量計可以自動調整參數，這對電池組的實時充電狀態估算有很大的意義。

圖4: MPS的電量計GUI

快速虛擬驗證

電量計必須經過多項測試以驗證其操作。這些測試旨在模擬電池在最終應用中的典型使用、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，如果電量計設置發生變化，許多驗證測試都必須重做以確保其最佳性能，這會花費更多資源和時間。理想情況下，一組測試即確定最佳電量計配置，同時還可以降低安全風險和上市時間。

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

該功能還可實現更快速的定制支持，因為記錄下來的測試數據和電量計配置文件可以隨時與 MPS分享，以用于復制和結果分析。

圖5: 包含虛擬模擬的電量計驗證流程圖（虛線）

結論

基于電池的解決方案越來越受歡迎，我們需要應對與之相關的一系列挑戰，以確保安全操作和用戶滿意度。其中之一即如何準確估算堆疊式鋰電池組的電池內部狀態，因為單電池可以提供整個電池組運行的關鍵信息。

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

審核編輯：湯梓紅