采用MPF4279X 系列產品精確估算充電狀態（上篇）

概述

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

SoC 通常表示為 0% 到 100% 之間的百分數。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備的電量，如手機、智能手表和電動汽車等。然而，由于電池復雜的化學特性， SoC 估算常會出現誤差。

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 估算中的復雜應用，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 系列產品。.

SoC估算挑戰

放電時，電池電壓小于一定值，則認為電池放空；充電時，電池以恒壓充電或當電流小于一定值時，則認為電池充滿。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。

由于電池存在內阻，充放電倍率不同會導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，特別是在低溫狀態下，電池的性能會有所降低。圖 2 顯示了在寬溫度范圍內的電池容量。

圖 2：電池容量與溫度

電池壽命的狀態特性也和容量有關。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極材料晶體的塌陷和電極的鈍化導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) 向生命周期結束 (EOL)狀態趨近。因此在計算 SoC 時，需要考慮采用 BOL 時刻的總容量還是當前壽命下的實際總容量。

除了變化的電池容量之外，每節電池的 SoC 狀態也會影響整個電池包的 SoC 估算。當多節電池串聯時，電池電壓可能會不平衡。

SoC算法簡介

計算 SoC 的關鍵方法有 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與電池內部鋰離子濃度變化關系的最早的電池容量測試方法之一。 它反映了OCV和SoC之間的單調遞增關系。

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下估算 SoC。當電池有電流通過時，電池內阻產生的壓降會影響 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 的關系

為解決這些問題，設計人員對OCV 法進行補充，引入電池內阻來校正并精確估算 OCV。當電池通過電流時，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)的等效串聯電阻。請注意，在該式中，正電流用于放電，負電流用于充電。

基于內阻補償的OCV法提升了SoC 的估算精度，但是實際應用時由于其復雜的電化學特性，電池電壓無法立即響應負載變化，而是有一定延遲。這種延遲與電池電壓響應的時間常數相關，范圍從毫秒到數千秒。同時電池的內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估算。

結語

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 系列產品 精確測量 SoC 的優勢所在。

審核編輯：湯梓紅