电池管理系统中SOC估算与能量均衡管理的设计

程远燊 张春阳 张昉 许秋平

摘   要：在各种储能技术中，电池储能技术更加成熟可靠，且系统安装灵活、建设周期短，非常适用于当前的各种工程应用中。在电池储能技术中电池管理系统BMS（Battery Management System）是不可或缺的，而BMS中最重要的两项技术就是本文所要讨论的SOC（State of Charge）估算和能量均衡管理。本文对BMS中的两项核心技术：SOC估算与能量均衡管理进行了详细的讨论，提出了两种简单易行且较为准确的方法来进行SOC估算与能量均衡管理。

关键词：电池管理系统  SOC估算  能量均衡

中图分类号：TM912                                文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2019）05（a）-0119-02

1  BMS硬件电路设计

本次设计使用CAN总线进行通讯，SOC估算和能量均衡所需的各种数据（电压、电流等）需要从CAN总线上获取，从CAN总线上获取的数据进入数据采集模块。该模块可将储能系统和上位机有机地连接起来。

CAN总线上的数据经过CAN收发器接收，经过光电隔离将数据传送到CAN控制器，CAN控制器可以将光电隔离后的串行数据转换为并行通讯方式，MCU将CAN控制器传送来的数据经过接口转换送至上位机。MCU可以选用单片机或DSP，对数据进行控制或选择，并将CAN控制器中的数据传送给上位机。

2  SOC估算

SOC估算，即剩余电量评估。当前时刻SOC的值可以直接反映出目前系统的剩余电量，通过SOC的值可以预估系统是否应该充放电，精确的SOC值是系统进行能量均衡、过充过放保护等功能的重要依据，SOC估算是整个PMS系统的基础与核心。但是SOC的值无法直接在线测量，因此需要用一些特殊的方法来间接计算出SOC的值。

2.1 电荷累积法

预先知道上一时刻电池的剩余电量状态，并对上一时刻到目前时刻这一段时间内电池充入或放出的电荷进行计算统计，从而得到当前电池荷电状态的一种方法。

假设上一时刻电池的剩余电量为，当前时刻电池的剩余电量为，从t1到t2期间电池充入、放出的累积电量为。

首先根据公式计算出，然后由=-计算出，进而由公式计算出当前时刻的SOC，其中为电池的额定容量。

此外，要想得到更为精确的SOC，使用电荷累积法计算时，还应该将电池的充放电效率这个因素考虑进去。用η来表示充放电效率系数，可由Peukert方程结合两组电池剩余电量与放电电流求得。因此修正后。

電荷累积法的关键是对某一时间段内的电流进行积分，因此这种方法只能在系统正在工作时使用，如果系统停止工作，想要得到系统的SOC，电荷累积法就不再适用了。此时，想要得到系统的SOC，需要使用另外一种方法——开路电压法。

2.2 开路电压法

开路电压法是在系统不工作时通过测量电池的开路电压OCV（Open Circuit Voltage）来估算SOC的一种方法。使用开路电压法是将电池的开路电压认为与电池SOC具有一一对应的关系。

当系统不工作时，可以使用开路电压法对电荷累积法所求得的SOC进行校正。故本次设计使用复合型评估的方法，即当系统处于工作状态时，用电荷累积法实时更新SOC值，同时，为了消除电荷累积法的累积误差，并解决电荷累积法的初始SOC评估问题，在电池组每次启动时，或电池组存在短暂不工作的时期，利用开路电压法对SOC进行校准。

2.3 初始SOC的确定

要获得准确的SOC，需要知道初始SOC的值。初始SOC可以通过电池测试步骤获得SOC-OCV曲线来获得。也可以用另一种方法来获得：先将电池静置一段时间，然后单独充放电，此时电池一般处于较为稳定的状态，与开路电压在一定范围内呈线性关系，并且不易受外界因素（如温度、电池老化等）影响。因此在电池开始充放电时，可以通过以下公式计算初始SOC：SOC0=（U0-V）/（W-V）。式中 SOC0表示初始时刻t0的SOC，U0表示电池t0时的开路电压，W表示电池完全放电时的开路电压，V表示电池充满电时的开路电压。

3  能量均衡

本次设计的能量均衡管理由电池组均衡电路、嵌入式处理器、数据采集芯片这几部分组成。嵌入式处理器为能量均衡管理的核心，与数据采集芯片通信，并且处理从数据采集芯片上得到的数据。

3.1 电压采集电路的设计

本次设计使用的数据采集芯片为Linear Technology 生产的LTC6802-1芯片。LTC6802-1芯片具有电压采集和均衡控制功能，功耗低，可直接使用锂电池组给其供电。LTC6802-1内置12位ADC，可以对12个串联单体电池进行电压采集，并且内部集成了多路模拟开关，精准度高。此种方式可以很方便地采集到12个单体电池的电压，通过LTC6802-1中内置的12位ADC，将采集到的电压转换成数字信号，进而将电池的电压数据传递给嵌入式处理器进行进一步的分析和处理。

3.2 均衡电路的设计

电池的能量均衡控制电路一般分为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联电阻等方式将电池中荷电状态较多的电池能量消耗掉，直到与组内其他电池达到均衡，进而达到各个电池之间的均衡。非耗散型均衡控制管理是利用中间储能元件和一系列的开关元件，将荷电状态较高的电池的能量转移到荷电状态较低的电池中，以达到均衡的目的。

本次设计的均衡电路采用非耗散型均衡电路，基于相邻电池间能量转移的均衡。这种方法是通过一步一步缩小各个相邻单体电池之间的能量差距进而来实现整体的均衡。

此电路中，场效应管由MCU的I/O口进行控制。若需要把电池BAT1的电荷往BAT2中转移，则在MCU_P1产生控制序列，MCU_P2与MOSFET栅极之间存在电容C2，Q2处于关闭状态。因为MCU_P1如上图所示变化，Q1则受到通过C1的高频控制信号的影响进而有规律地通断。当Q1导通时，电池BAT1的电流通过Q1流向电感L1，电感L1持续充能。当Q1关断时，因为电感电流不能突变的特性，流经L1的电流不能立刻突变，电流会沿着L1、BAT2和D2组成的回路继续流动，进而实现对BAT2的充电。这就是电池BAT1向相邻电池BAT2转移电量的全过程，以此为例，系统中其他相邻的电池也可以用此种方法进行电量的转移。

4  结语

使用电荷累积法与开路电压法相结合的方法进行SOC估算，该方法简单易行，并且可以获得较为准确的SOC。能量均衡管理上，通过相邻单体电池间的能量交换来实现整个电池组的能量均衡，此方法电路简单，可行性高，稳定性强。

参考文献

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