高精度電池測量為電池管理增添了實(shí)際價值

圖 3：保護(hù)帶與電池測量誤差的相關(guān)性

盡管大多數(shù)鋰電池在最初購得時通常匹配良好，但隨著時間的推移及充電循環(huán)的延續(xù)，一長串電池的 SOC 將出現(xiàn)偏差。這是由于電池特性和局部工作條件的小幅變化引起的，這會導(dǎo)致小的自放電和負(fù)載電流差異。為避免使任何一節(jié)電池在其 SOC 范圍之外運(yùn)作，當(dāng) SOC 出現(xiàn)偏差時，電荷最不平衡的那幾節(jié)電池將使電池組的總工作范圍慢慢地限制。為解決這一問題，幾乎所有的電池管理系統(tǒng)都包括了電池電荷平衡功能電路。

采用被動平衡時，具較高 SOC 的電池將放電以實(shí)現(xiàn)所有電池 SOC 的歸一化。這是一種低成本的簡單平衡法。然而，它存在重大的局限性：被動平衡僅通過移除電荷來起作用。其所耗費(fèi)的能量與電池電荷不平衡的幅度之間存在函數(shù)關(guān)系，并產(chǎn)生大量的熱量。這意味著必須保持相對較小的平衡電流，通常為電池容量的 5% 或以下。因此，被動平衡主要局限于離線操作，而且它需要大量的時間來完成。當(dāng) SOC 的變化量的增大時，被動平衡的有效性逐步下降，而且隨著時間的推移，SOC 的變化將由于電池容量偏差的出現(xiàn)而增加。

電池會隨著其老化進(jìn)程而損失容量，各節(jié)電池的老化過程會由于諸多因素的影響而存在差異，例如：電池組溫度梯度及電池制造中的波動等。當(dāng)容量存在差異時，電池將更容易變至不平衡的狀態(tài)。即使只允許一節(jié)電池在 SOC 限制范圍以外運(yùn)作，也將由于導(dǎo)致電池過早老化而使該問題愈發(fā)嚴(yán)重。當(dāng)電池容量出現(xiàn)偏差時，完全依賴被動平衡會變得越來越困難。為避免受困于被動平衡的局限性，新型電池管理系統(tǒng)開始逐漸采取主動平衡的方法。

采用主動平衡時，電荷在電池之間移動 (而不像采用被動平衡時那樣被浪費(fèi)掉)。主動平衡在充電和放電周期里皆可運(yùn)作。當(dāng)對電池組充電時，主動平衡器可將電荷從較弱的電池移動至較強(qiáng)的電池。而當(dāng)對電池組進(jìn)行放電時，則可把電荷從較強(qiáng)的電池移走以補(bǔ)償較弱的電池。電荷通過某種高效電路 (比如：反激式轉(zhuǎn)換器) 進(jìn)行轉(zhuǎn)移，而不是白白消耗能量。因此，發(fā)熱量受到限制、平衡電流較大、而且平衡時間顯著減少。這允許在電池組使用的過程中進(jìn)行主動平衡，因而能確保從每節(jié)單獨(dú)的電池獲取最大的容量。新型 IC (比如凌力爾特推出的 LTC3300 和 LT8584) 已可在汽車電池組中實(shí)現(xiàn)主動電荷平衡。

理想的情況是：主動平衡應(yīng)在電池達(dá)到 SOC 范圍的末端時啟用 (注 2)。為闡明這一點(diǎn)，我們假設(shè)一個含有多節(jié)具均勻容量的電池以及一節(jié)較低容量“弱”電池的電池組。如果所有的電池都被充電至 80% SOC 并隨后放電，則那節(jié)弱電池的 SOC 將慢慢地與其余的各節(jié)電池出現(xiàn)偏差。BMS 必須確定一個合適的點(diǎn)，以使平衡器能夠在其他電池繼續(xù)放電的同時將那節(jié)弱電池保持在運(yùn)行狀態(tài)。圖 4 示出了放電周期中的 SOC 偏差情況，列舉了兩個例子：一個例子是一節(jié)電池的容量與電池組其余電池相差 2%，而在另一個例子中則是相差 8%。BMS 電池測量誤差設(shè)定了一個用于確定電池之間相對狀態(tài)的限值。當(dāng) SOC 測量誤差為 ±2% (±10mV) 時，在電池測量電路可靠地檢測到這一情況之前電池彼此之間的電荷失衡最大有可能達(dá)到 4%。如果不具備遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于 ±10mV 的電池測量準(zhǔn)確度，那么要在這條放電曲線的某個精確定義的點(diǎn)上實(shí)現(xiàn)一個主動平衡器幾乎將是不可能的。

圖 4：電池容量差異的檢測依賴于測量準(zhǔn)確度