高精度電池測(cè)量為電池管理增添了實(shí)際價(jià)值

目前這一代電動(dòng)汽車依靠能量范圍介于 16kWh 至 53kWh 之間的鋰離子電池組提供動(dòng)力。而僅僅一加侖汽油所包含的能量就超過了 36kWh。對(duì)于電動(dòng)汽車或混合動(dòng)力汽車 (HEV) 抑或是任何的大功率電池系統(tǒng)來說，若要與內(nèi)燃機(jī) (ICE) 展開競(jìng)爭(zhēng)就必需充分利用電池的全部?jī)?chǔ)能。為此，必須對(duì)電池組內(nèi)部的每節(jié)電池進(jìn)行仔細(xì)周密的監(jiān)視和控制。

大功率電池組由一長(zhǎng)串串接電池組成。電池監(jiān)視器 IC 直接連接至每節(jié)電池，負(fù)責(zé)準(zhǔn)確地測(cè)量每節(jié)電池的電壓。這絕不是一件簡(jiǎn)單的工作，因?yàn)楦鱾€(gè)電池位于一個(gè)非常高電壓電池串的不同點(diǎn)上，而電池串很容易遭受驚人的電尖峰和電磁干擾 (EMI)。電池管理系統(tǒng) (BMS) 整合了電池電壓與電流、溫度和工作情況記錄，以連續(xù)獲知每節(jié)電池的狀況。雖然這是一項(xiàng)棘手的難題，但利用準(zhǔn)確的監(jiān)視和控制仍可實(shí)現(xiàn)電池組行車?yán)锍獭⒖煽啃院桶踩缘淖畲蠡?/p>

HEV 或 EV 中電池的預(yù)計(jì)使用期限是 10~15 年，而當(dāng)電池失去其原始容量的 80% 時(shí)即被認(rèn)為處于其壽命末期。通過限制工作電荷狀態(tài) (不允許電池滿充電或完全放電)，可最大限度地增加電池的使用壽命和可靠性。典型的電池組工作于一個(gè)受限的范圍內(nèi)，例如：20% SOC 至 80% SOC，其中 SOC 表示“電荷狀態(tài)”。這些 SOC 限值可根據(jù)電池的老化和工作情況 (比如：高溫環(huán)境) 進(jìn)行調(diào)節(jié)。由于采用了此類限值，故電池組不會(huì)以滿容量地使用。例如：以 20% SOC 至 80% SOC 來運(yùn)作電池組將把可用 SOC 限制在這 60% 范圍。BMS 所面臨的挑戰(zhàn)是使每節(jié)電池盡可能接近限值運(yùn)作，而不要超過限值。鋰電池在其工作范圍內(nèi)表現(xiàn)出平坦的放電曲線，使得上述挑戰(zhàn)的難度進(jìn)一步加大。因此，在整個(gè)工作范圍內(nèi)電池電壓的變化非常之小，作為 SOC 計(jì)算的一部分，電池監(jiān)視器必須進(jìn)行非常準(zhǔn)確的測(cè)量。

為了闡明電池測(cè)量準(zhǔn)確度的重要性，我們來看一下簡(jiǎn)化的鋰電池放電曲線 (示于圖 1)。該曲線在整個(gè)工作區(qū)內(nèi)具有一個(gè)恒定的 5mV/% (SOC) 斜率。倘若電池電壓測(cè)量準(zhǔn)確度欠佳，那么工作在 20% 至 80% SOC 范圍之內(nèi)且具有相似放電特性的電池組將面臨嚴(yán)重的不利后果。

圖 1：簡(jiǎn)化的電池放電曲線

如圖 2 所示，倘若電池監(jiān)視器具有一個(gè) ±10mV 的電池電壓測(cè)量誤差，則 3.75V 的電池電壓測(cè)量值實(shí)際上有可能對(duì)應(yīng)的真實(shí)電池電壓介于 3.74V 和 3.76V 之間。這對(duì)應(yīng)的實(shí)際 SOC 范圍為 76% 至 80%。由于存在該測(cè)量誤差，因此必須利用一個(gè)“保護(hù)帶” 對(duì)工作范圍加以限制，從而確保不超過工作限值。在本例中，必須把工作范圍限制在 22% 至 78% 的測(cè)量范圍 (而不是 20% 至 80%)。假如期望電池組保持相同的范圍，那么具有該準(zhǔn)確度的 BMS 將需要額外的電池容量以補(bǔ)償保護(hù)帶限制。假設(shè) 60% 的可用 SOC，則電池容量必須加大 7% (注 1) 以補(bǔ)償 ±10mV 的電池測(cè)量誤差。對(duì)于一輛使用價(jià)格 3000 美元的 5kWh 電池組 (即每 kWh 電能的成本為 600 美元) 的 HEV 來說，這將造成成本額外增加 214 美元。

圖 2：針對(duì) ±10mV 電池測(cè)量誤差的保護(hù)帶要求

可以擴(kuò)展該論點(diǎn)以凸顯針對(duì)各種不同電池測(cè)量誤差的“保護(hù)帶損失”及其與 SOC 范圍的相關(guān)性。如圖 3 所示，測(cè)量誤差僅為 1mV 的系統(tǒng)所需的額外電池容量不到 1%，甚至當(dāng)電池組被限制在一個(gè) 25% 至 75% 的 SOC 范圍 (即 50% 的可用 SOC) 時(shí)也不例外。