锂电池SOC估算及其电池管理系统分析

锂电池SOC估算及其电池管理系统分析

付昌雨

贵州梅岭电源有限公司    贵州省遵义市   563000

摘要：传统的燃油汽车的使用，会对环境带来较为严重的污染。但是化石能源的不断降低，使得电动汽车越发受到人们的关注。其中电池管理系统的设计，是电动汽车领域十分重要的技术。BMS系统涉及到对电池的荷电状态、健康状态等情况的估算系统，采集到各种数据信息，实现对电池的有效管理。在本论文的分析中，主要针对锂电池SOC估算及其电池管理系统进行了研究。

关键词：锂电池；BMS系统；电池管理

引言

在BMS系统的运行中，主要负责对电池的工作电流、电压、温度等方面的信息采集，并对电池实现单体的均衡分析，同时对电池开展热管理。在实际的运行中，需要结合信息采集、电梯均衡进行合理化的设计，从而了解到电池的化学模型与等效电路模型的实际情况。

1 锂离子电池性能与模型

1.1 特征性能

1.1.1 电压

当前电池的电压特性，起到了十分重要的作用。对于参数的判断中，需要对电池是否处于异常状态进行评估。其次，电池的建模分析，往往要在参数进行全面的辨识，加上对参数方面的准确性的评估。电池的电压特性的分析中，具备着开路电压与工作电压这样不同的情况。开路电压的处理中，需要经过较长时间的静置，电流在为零的时候，工作带蓝牙是电池正常的负载情况。因此，电池在放电处理中，往往OCV比工作电压会大[1]。

1.1.2 容量

电池容量一定程度上决定了电动车的续航里程，基本上分为额定容量与实际容量。在额定容量的设计中，使用一定的放电倍率释放最大的电能。在实际工作中，提供的电量需要结合实际的电能容量进行分析。当前锂电池的实际运行与温度相关联。

1.2 锂离子电池模型

1.2.1 电化学模型

在该模型的设计中，采用两相、三区域的简化描述方式，对于动力电池内部结构进行从函数。固相基于球形颗粒开展建模，并利用锂离子的半径扩散过程，描述具体的扩散方式。液相扩散的处理中，利用锂离子沿着动力电池厚度进行处理。当前搭建的P2D模型建立，总结为六个数学方程组[2]。

1.2.2 等效电路模型

当前等效电路模型的搭建，是相比较电化学模型比较简单，在进行处理中，不会涉及到一些偏微分方程式。在进行实际分析中，会涉及到电路元器件，对于电容、电阻、恒压源进行建模评价处理[3]。

1.2.3 黑箱模型

黑箱模型的建立，是一种并不对电池内部繁杂过程进行分析，仅仅基于电池历史的测量数据信息开展建模分析，例如神经网络模型可用于对支持向量机模型进行处理，模拟各种非线性系统，以此相对泛化能力以及相关预测与评价。

2 锂离子电池SOC估算

电池SOC往往无法直接进行估算与测量，因此采用的SOC估算方式，是一种当前电动车汽车的重要研究话题，也是其中核心的算法。在具体的估算处理中，对于电池的汽车电池充放电、续航里程、工作寿命等，进行相关评价。在进行分析中，需要结合等效模型，以及对于相关参数进行估算，从而了解到现场的实际情况。

2.1 KF算法

可以基于KF算法进行分析，该算法并不需要存储大量数据信息，而是基于递推的方式，在计算机和微处理进行快速的实现与调整。在国防军事领域、航天领域，都得到了良好的运用。在进行实际处理中，就需要对电池系统进行目标系统的建模，同时对该系统状态进行细节表达与评价。在进行相关分析中，采用固定公式的反复迭代与处理，实现对系统的最优化评价。

2.2 无迹卡尔曼滤波算法

基于该算法的处理方式，是一种对于线性高斯系统的建立之后，结合不同场景下的系统运行。电池模型的建立，就是一种典型的非线性系统，在进行实际的工作中，需要充分的考量到系统内部因素，同时将标准卡尔曼滤波运用，这样便可以得到最终的计算结果，也相应的对于系统状态进行估算与合理。当前进行处理中，需要忽略二阶以及以上的高阶项目。该系统的非线性度比较良好。

3 电池管理系统设计

   电池管理系统的设计，是当前电动汽车的重要核心，也相应的在功能进行针对性的处理。基于数据采集、状态检测、安全保护以及信息与能量的管理。在数据的采集中，是一种对于电池端电压、工作电流以及温度进行全面采集与评估。在状态检测的环节，需要结合电池SOC、电池健康状态、瞬时可用功率等多方面，进行全面估算与处理。而安全保护的处理中，需要放置电池与过充过放，同时对于温度预警进行集中分析，这样就可以对电动电池的运行数据，集中开展处理与筛选。后续进行能量管理的处理中，涉及到均衡管理、热管理等方面的设计。

3.1 硬件电路设计

当前在进行设计的过程中，BMS基于一主多从式的结构，在进行系统设计i中，就需要负载多级电压、温度信息采集以及电池单体的均衡设计。在进行控制传输数据的分析与评估中，要进行指令的协调。其中结构的设计中，要实现易于扩展的体系，并在后续进行试验与分析中，都要为后期维护工作提供良好的基础和便捷处理。电池采样分析的芯片设计，需要进行全面通信，同时在后续进行的地质配置的设计中，要保持对电池采样的芯片控制，强化系统运行可靠性。

基于电压采样的电路设计方式，要对电池电压进行信息检验，同时进行相关数据采集效率和响应电压测量。在利用温度以及其他的传感器进行集中处理中，需要进行合理化的配置，加上对于内部主控设备的处理。在对于多个器件的处理中， 要采用一种主处理器接线设备类型。

其次开展设计中，需要供电模块的处理中，对供电方式方面的不同，主要是对内部空间和外围电路进行合理化的设计与调整。当前在测量电池电压的处理环节，需要结合电池组的总负荷，以及后续进行总体规划与设计，才可以满足人们的基本需求，提升系统运行可靠性与稳定性。

3.2 电池管理软件系统

3.2.1 初始化程序

在进行项目的处理中，需要配置一个良好的寄存器，利用科学合理的设计方式，对于电路进行合理化的把控。其中系统的欠压、过压以及功能性的评估中，主要是在配置环节进行初始化的设计，并在后续进行集中评估。当前进行项目的判断中，要从多个角度进行设计与评价。

3.2.2 电压与温度采集子程序

当前进行电压采集之前，需要输入一定的指令，并进行后续指令进行数据的信息处理。在进行程序分析中，要对系统内部的系统进行合理化转发，同时将位置进行电池组的电信号的调整，特别是对于内部的模数转发，同时对于内部的空间集中处理。电池温度的测量信号采集，要结合热敏电阻的电压信号进行转换，同时经过内部数据的转换，便可以对于内部空间温度实现集中的信号采集与评价。在后续其他方面的系统处理中，还要加强内部空间合理性。

3.2.3 SOC算法程序

当前在进行实际的电池模型的处理中，需要对于内部的SOC估算算法的处理，加上适应非线性的观测器，以及后续进行DE进行初始化的环节，涉及到对内部空间的种群大小、缩放因子以及交叉概率的分析，要对观测器的集中输出电压进行调整，加上对电压更新输出的误差控制，从而了解到内部空间的电池估算的整体效果。最后，进行项目的分析中，还要加强内部设计，保持对于空间的整体把控，才可以提升系统运行稳定性，并解决常见系统问题，避免出现一些结构性的情况，强化系统运行效率。

4总结

综上所述，在进行锂电池SOC估算及其电池管理系统设计中，需要结合实际运行情况，以及利用对现场的估算与设计，才可以实现电池系统的稳定管控，也相应的实现系统的基本功能，加上对细节的结构细节控制，从而提升电池系统运行可靠性与安全性。

参考文献：

[1]胡坤,张冰战,刘忠涛等.基于改进扩展卡尔曼滤波算法的SOC估算[J].汽车实用技术,2023,48(23):6-13.

[2]张涛,陈东明,侯鹏鹏等.基于变遗忘因子的改进卡尔曼滤波锂电池荷电状态估算研究[J/OL].河南理工大学学报(自然科学版),1-10[2024-01-03].

[3]潘正军,袁兴有,邓飞虎等.基于扩展卡尔曼滤波的动力电池SOC估算[J].汽车实用技术,2023,48(22):23-27.