在當(dāng)今的汽車中，不斷增加的電力負(fù)荷給電池帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。超過(guò)半數(shù)因?yàn)?a target="_blank">電力系統(tǒng)導(dǎo)致的汽車故障都可以向上追溯到鉛酸電池，如果了解電池狀態(tài)，這些故障是可以避免的。另外，諸如起停系統(tǒng)（start-stop）或智能交流發(fā)電機(jī)控制等微型混合動(dòng)力汽車的新功能也要求確切地了解電池狀態(tài)。

　　電池管理系統(tǒng)（BMS）可通過(guò)快速、可靠地監(jiān)測(cè)啟動(dòng)能力中的充電狀態(tài)（SoC）、健康狀態(tài)（SoH）和功能狀態(tài)（SoF），提供必要的信 息。因此，BMS可以最大限度地降低因?yàn)殡姵匾馔夤收隙鴮?dǎo)致的汽車故障次數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)最長(zhǎng)電池使用時(shí)間和最大電池能效，并可以支持二氧化碳減排功能。 BMS的主要元件是智能電池傳感器（IBS），它可以測(cè)量電池端電壓、電流和溫度，并計(jì)算出電池的狀態(tài)。

　　本文將介紹如何實(shí)施使用最先進(jìn)的算法來(lái)計(jì)算SoC、SoH和SoF的BMS，以及如何在飛思卡爾的鉛酸電池IBS中高效地實(shí)施上述功能。

　　1） 簡(jiǎn)介

　　過(guò)去，汽車電池的充電級(jí)別一直是一項(xiàng)無(wú)法了解的因素，在許多情況下會(huì)導(dǎo)致汽車故障。根據(jù)汽車使用壽命的不同，與電池有關(guān)的故障率可能攀升至10000 ppm 。

　　對(duì)汽車電池來(lái)說(shuō)另一個(gè)已經(jīng)存在的非常嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)來(lái)自不斷增長(zhǎng)的電力與功耗需求，同時(shí)還需要降低二氧化碳排放。

　　因?yàn)?a target="_blank">電子系統(tǒng)在汽車創(chuàng)新領(lǐng)域里起著非常重要的作用，所以隨著汽車在舒適性功能、安全相關(guān)功能電子化、混合動(dòng)力汽車、駕駛輔助和信息娛樂(lè)方面的發(fā)展，對(duì)電力供應(yīng)的需求也越來(lái)越高。

　　在另一方面，越來(lái)越多的法規(guī)出臺(tái)呼吁減少二氧化碳排放和燃油消耗。

　　為了應(yīng)對(duì)上述限制要求，需要采用高級(jí)電力管理系統(tǒng)，來(lái)確保在各種工作場(chǎng)景中電池都能為引擎啟動(dòng)提供足夠的電力。

　　2） 電力管理系統(tǒng)

　　通常，支持啟動(dòng)-停止系統(tǒng)所用的典型供電網(wǎng)絡(luò)包括一個(gè)車身控制模塊（BCM）、一個(gè)電池管理系統(tǒng)（BMS）、一個(gè)發(fā)電機(jī)和一個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換器（請(qǐng)參見(jiàn)圖1）。

　　BMS通過(guò)專用的負(fù)載管理算法為BCM提供電池狀態(tài)信息，通過(guò)控制發(fā)電機(jī)和DC/DC轉(zhuǎn)換器穩(wěn)固和管理供電網(wǎng)絡(luò)。DC/DC轉(zhuǎn)換器為汽車內(nèi)部的各個(gè)電氣元件供電。

　　圖1：典型啟動(dòng)-停止系統(tǒng)中使用的供電網(wǎng)絡(luò)示例

　　Generator：發(fā)電機(jī)；Battery mgmnt system：電池管理系統(tǒng)；Energy：電力；Control：控制；AC/DC Converter：AC/DC 轉(zhuǎn)換器；Consumers：電氣元件

　　通常，鉛酸電池的BMS直接安裝在電池夾的智能連接器中。連接器包括一個(gè)低阻值分流電阻（通常在100uOhm范圍內(nèi)）和一個(gè)帶有高度集 成設(shè)備的小型PCB，該集成設(shè)備具有準(zhǔn)確的測(cè)量和處理功能，稱之為智能電池傳感器（IBS，參見(jiàn)圖2）。IBS即便在最惡劣的條件下也能以高解析度和精確 度測(cè)量電池電壓、電流和溫度，并能夠在電池的整個(gè)使用壽命中準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)電池的充電狀態(tài)（SoC）、健康狀態(tài)（SoH）和功能狀態(tài)（SoF）。這些參數(shù)定期 或根據(jù)要求通過(guò)一個(gè)獲得汽車行業(yè)認(rèn)證的車載網(wǎng)絡(luò)傳送至BCM。

　　圖2：鉛酸電池的典型智能電池傳感器

　　Battery Plus Pole：電池正極；Battery Minus Pole：電池負(fù)極；Chassis ground：底盤接地；Precision measurement battery current， voltage & temperature：精確測(cè)量電池電流、電壓和溫度；Determination of key battery characteristics： state of health （soh） state of charge （soc） state of function （sof）：確定主要電池特性：健康狀態(tài)（SoH）、充電狀態(tài)（SoC）和功能狀態(tài)（SoF）；Communication to bcm：與BCM通信

　　除上述功能和參數(shù)功能外，對(duì)IBS提出的其他主要要求包括低功耗、能夠在惡劣的汽車行駛環(huán)境中（即EMC和ESD）工作、進(jìn)行汽車OEM 廠商驗(yàn)收的車載通信接口一致性測(cè)試（即，LIN）、滿足汽車等級(jí)測(cè)試限制（針對(duì)被測(cè)參數(shù)的六西格瑪限制），另外還需符合AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)要求。

　　飛思卡爾宣布推出一款完全集成的LIN電池監(jiān)控設(shè)備，它基于Freescale S12 MCU技術(shù)［2］，能夠滿足上述所有參數(shù)要求。該設(shè)備包括三個(gè)獨(dú)立的測(cè)量通道：通過(guò)外部分流電阻測(cè)量電流；通過(guò)直接安裝在電池負(fù)極的串聯(lián)電阻測(cè)量電池電 壓；通過(guò)集成傳感器測(cè)量溫度。采用一個(gè)集成LIN 2.1接口直接將傳感器連接至LIN總線，無(wú)需其他部件。飛思卡爾IBS完全符合汽車行業(yè)的AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)要求。

　　在下面幾章里，我們將為您介紹使用飛思卡爾IBS的BMS的實(shí)施方案，以及如何通過(guò)使用IBS的硬件特性和定點(diǎn)算法來(lái)實(shí)現(xiàn)BMS的高效運(yùn)行。

　　3） 電池監(jiān)控

　　正如第2）部分中所提到的，IBS的主要用途是監(jiān)控電池狀態(tài)，并根據(jù)需要將狀態(tài)變量傳送至BCM或其他ECU。電池監(jiān)控輸入值將使用已測(cè)量的電池電流、電池電壓和溫度采樣值。電池監(jiān)控輸出值是SoC、SoH和SoF值。

　　3.1） 充電狀態(tài)

　?。⊿oC） SoC的定義非常直觀，通常以百分?jǐn)?shù)的形式表示。完全充電的電池SoC為100%，完全放電的電池SoC為0%。SoC值隨電池的充電和放電改變。

　　該值通過(guò)公式（1）計(jì)算，其中Cr代表電池的剩余（可放電）電量，Ca代表電池的可用總電量：

　　但是，有一個(gè)問(wèn)題是可用電池電量常常與電池的標(biāo)稱容量（通常標(biāo)注在電池外殼的標(biāo)簽上）不同。對(duì)于一個(gè)新電池，它可能比標(biāo)稱容量稍高，對(duì)于已經(jīng)使用一段的電池來(lái)說(shuō)，可用電量會(huì)降低。另一個(gè)問(wèn)題是，實(shí)際可用電量很難根據(jù)IBS的輸入值來(lái)確定。

　　因此，SoC通常額定為標(biāo)稱容量Cn，它具有多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)：

　　●特定SoC的電池的可用總充電電量是已知的，包括舊電池。

　　●測(cè)試Cn點(diǎn)的電流（I=Cn/20h）和溫度（27℃）是可確定的

　　庫(kù)侖計(jì)數(shù)算法是跟蹤SoC快速變化的最佳算法。它基于流進(jìn)和流出電池集成電流并根據(jù)實(shí)際情況采納經(jīng)過(guò)計(jì)算的SoC。公式（2）用于SoC計(jì)算，其中Q（t0）表示電池的初始電量，α表示效能因子，i（t）表示電流（正向或負(fù)向），Cn表示電池的標(biāo)稱容量。

　　除了α因子以外，公式中的參數(shù)都非常直觀。這是一個(gè)用來(lái)描述效能的因子，也稱為Peukert定律［3］ ［4］。它表述了在不同放電率的情況下鉛酸電池的電量。當(dāng)放電率提高時(shí)，電池的可用電量將降低。另外一個(gè)影響可用電量的參數(shù)是溫度。溫度越高，可用電量也 就越高。兩種效能都使用α描述，因此α值需要采用一個(gè)2維數(shù)組（溫度和放電率）。根據(jù)測(cè)量到的溫度和放電率，相應(yīng)的值分別用于每一個(gè)集成步驟。α值在很大 程度上取決于電池的設(shè)計(jì)和化學(xué)組成，通常情況下即使是同一家制造商的不同型號(hào)的電池該值也會(huì)有所不同。他們通常已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室里通過(guò)充電和放電測(cè)試。

　　雖然Peukert定律只適用于放電的情況，但也有一個(gè)與α值類似的效能因子用于充電周期。除了溫度和充電率以外，實(shí)際的SoC 也需要考慮在內(nèi)，因?yàn)樵诟逽oC情況下的充電效能小于中等SoC情況下的充電效能。

　　因?yàn)榫C合了電流值和α值，因此在更改電池條件時(shí)產(chǎn)生的誤差、以及電流測(cè)量和量化誤差隨著時(shí)間的增加變得越來(lái)越多。因此，參數(shù)Q（t0） （電流集成的起始點(diǎn)）通常通過(guò)一種能夠提供更高精度的不同方法獲得：OCV 方法。OCV是當(dāng)沒(méi)有電氣元件從電池中獲取電流時(shí)電池兩極之間的電壓。

　　鉛酸電池顯示OCV和SoC之間有良好的線性關(guān)系。因此，通過(guò)測(cè)量OCV，SoC可以直接計(jì)算出來(lái)。OCV和SoC之間的確切因子必須表征出來(lái)。

　　這種方法的唯一缺陷是，OCV只能在汽車停好以后測(cè)量，例如（幾乎）所有電氣元件都關(guān)閉后，或者在汽車熄火后經(jīng)過(guò)數(shù)十分鐘甚至小時(shí)后再測(cè)量。

　　因此，OCV方法常常用于校準(zhǔn)庫(kù)侖計(jì)數(shù)，庫(kù)侖計(jì)數(shù)算法連續(xù)運(yùn)行。這種組合方式提供了一個(gè)良好的SoC計(jì)算方法，并且可以在一個(gè)較長(zhǎng)的停車時(shí)間內(nèi)，用自放電率糾正SoC來(lái)使計(jì)算結(jié)果更加精確。

　　3.2） 健康狀態(tài)（SoH）

　　鉛酸電池的各種老化效應(yīng)會(huì)對(duì)電池使用造成不同的影響［5］。由于很難通過(guò)IBS逐個(gè)對(duì)這些老化效應(yīng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和量化，因此SoH的額定值通 常不直接與這些老化效應(yīng)掛鉤。相反，會(huì)隨著電池的使用時(shí)間增長(zhǎng)，容量額定值降低，這是老化的主要結(jié)果。與電池老化有關(guān)的另一個(gè)非常重要的參數(shù)是啟動(dòng)性能； 但是它通常表述為啟動(dòng)能力的功能狀態(tài)（SoF） （請(qǐng)參見(jiàn)第3.3節(jié)）。

　　因此，SoH通過(guò)公式（3）來(lái)估計(jì)，其中Caged代表老化的電池容量，Cn代表在每個(gè)SoC計(jì)算中引用的標(biāo)稱容量。

　　因?yàn)镃n 是已知的，因此計(jì)算SoH的關(guān)鍵任務(wù)是找到Caged。一種可能的方法是在電池的整個(gè)使用壽命內(nèi)跟蹤可以到達(dá)的最大電量（或SoC）。如果在隨后進(jìn)行的若 干次完全充電后，電池的最大電量水平低于以前計(jì)算的老化容量，則表示老化容量變小。相應(yīng)的，Caged 和SoH必須根據(jù)庫(kù)侖計(jì)數(shù)和OCV方法確定的容量進(jìn)行調(diào)整。完全充電狀態(tài)可以在充電電流降低至特定門限值以下時(shí)監(jiān)測(cè)。

　　確定SoH的另外一個(gè)方法是跟蹤充電和放電周期，以電池制造商提供的周期穩(wěn)定點(diǎn)取其額定值。通常，制造商會(huì)確保在指定溫度和深度下的充電/放電周期總量，例如，在27攝氏度、25%放電深度時(shí)500個(gè)周期。通過(guò)將所有周期額定為上述數(shù)量，并應(yīng)用溫度和充電狀態(tài)校正因子，可支持跟蹤上面提到的Caged值。這些校正因子必須通過(guò)表征電池的參數(shù)來(lái)確定。但是，這兩種方法通常還會(huì)與其他專用算法結(jié)合使用，這些算法考慮了電池使用壽命中的多個(gè)電池參數(shù)。

　　在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行大量的電池參數(shù)表征可確定這些電池參數(shù)，通常只適用于一個(gè)特定的電池型號(hào)。

　　3.3） 功能狀態(tài)（SoF）

　　對(duì)鉛酸電池來(lái)說(shuō)，發(fā)動(dòng)汽車引擎即便不是最重要的功能，也是非常重要的功能。因此，BMS一個(gè)非常重要的任務(wù)是預(yù)測(cè)在實(shí)際電量條件下是否能夠啟動(dòng)汽車。啟動(dòng)預(yù)測(cè)通過(guò)SoF參數(shù)表示。

　　除了過(guò)去“傳統(tǒng)的”停車后再啟動(dòng)，通過(guò)在微型混合動(dòng)力汽車中引入啟動(dòng)-停止系統(tǒng)，啟動(dòng)預(yù)測(cè)功能正變得越來(lái)越重要。BMS必須與BCM通信并決定是否可以在引擎關(guān)閉后再次啟動(dòng)，以及是否可以安全地進(jìn)入停止模式。

　　獲取SoF參數(shù)的一個(gè)非常好的途徑是通過(guò)分析最近的引擎啟動(dòng)情況、剩余電量（作為SoC和SoH的函數(shù)）和實(shí)際溫度。在啟動(dòng)期間，電池的 內(nèi)部電阻（Ri）需要被記錄下來(lái)（通過(guò)電壓降和電流來(lái)計(jì)算）。因?yàn)镽i在電池的使用壽命中是相對(duì)一致的、并且只是在電池使用壽命結(jié)束前顯著升高，因此Ri 平均值需要在一個(gè)特定的門限值以下，以確保安全啟動(dòng)。在啟動(dòng)階段老化電池的另一個(gè)影響是，從電壓和電流采樣中計(jì)算出的Ri值會(huì)表現(xiàn)出非線性的趨勢(shì)［5］， 即，對(duì)于同等電壓樣本會(huì)有不同的電流值。而對(duì)于新電池來(lái)說(shuō)，Ri是線性的。請(qǐng)參見(jiàn)圖3和圖4了解啟動(dòng)過(guò)程中常見(jiàn)的電壓和電流趨勢(shì)。

　　圖3：?jiǎn)?dòng)電壓趨勢(shì)

　　圖4：?jiǎn)?dòng)電流趨勢(shì)

　　綜合Ri（通過(guò)電壓降和電流來(lái)計(jì)算）、電池剩余電量和實(shí)際溫度，可以很好地指示啟動(dòng)能力。同樣，這些門限值也必須通過(guò)電池參數(shù)表征來(lái)確定。

　　為了使用必要的準(zhǔn)確值來(lái)確定Ri的線性或非線性行為，所有在啟動(dòng)階段取樣的電壓和電流值都需要使用一個(gè)線性過(guò)濾器來(lái)過(guò)濾，優(yōu)選采用帶通過(guò)濾器。