【導(dǎo)讀】對(duì)于電動(dòng)汽車或混合動(dòng)力汽車或是任何的大功率電池系統(tǒng)而言，要想提高競(jìng)爭(zhēng)力，就需要盡可能地提高性能與可靠性。而想要獲取所有的可用電能，則需要運(yùn)用諸如電池電荷主動(dòng)平衡等尖端技術(shù)以及盡可能準(zhǔn)確和穩(wěn)定的電池電壓測(cè)量。且看專家講解如何實(shí)現(xiàn)高精度電池測(cè)量。
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(guò)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(lái)說(shuō)，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?、可靠性和安全性的最大化?br />
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(guò)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(lái)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(guò)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(lái)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
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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(lái)說(shuō)，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
圖 3：保護(hù)帶與電池測(cè)量誤差的相關(guān)性
采用被動(dòng)平衡時(shí)，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(jiǎn)單平衡法。然而，它存在重大的局限性：被動(dòng)平衡僅通過(guò)移除電荷來(lái)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(duì)較小的平衡電流，通常為電池容量的 5% 或以下。因此，被動(dòng)平衡主要局限于離線操作，而且它需要大量的時(shí)間來(lái)完成。當(dāng) SOC 的變化量的增大時(shí)，被動(dòng)平衡的有效性逐步下降，而且隨著時(shí)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(huì)隨著其老化進(jìn)程而損失容量，各節(jié)電池的老化過(guò)程會(huì)由于諸多因素的影響而存在差異，如電池組溫度梯度及電池制造中的波動(dòng)等。當(dāng)容量存在差異時(shí)，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(guò)早老化而使該問(wèn)題愈發(fā)嚴(yán)重。當(dāng)電池容量出現(xiàn)偏差時(shí)，完全依賴被動(dòng)平衡會(huì)變得越來(lái)越困難。為避免受困于被動(dòng)平衡的局限性，新型電池管理系統(tǒng)開始逐漸采取主動(dòng)平衡的方法。
采用主動(dòng)平衡時(shí)，電荷在電池之間移動(dòng) (而不像采用被動(dòng)平衡時(shí)那樣被浪費(fèi)掉)。主動(dòng)平衡在充電和放電周期里皆可運(yùn)作。當(dāng)對(duì)電池組充電時(shí)，主動(dòng)平衡器可將電荷從較弱的電池移動(dòng)至較強(qiáng)的電池。而當(dāng)對(duì)電池組進(jìn)行放電時(shí)，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(guò)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(shí)間顯著減少。這允許在電池組使用的過(guò)程中進(jìn)行主動(dòng)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(dòng)電荷平衡。
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理想情況是：主動(dòng)平衡應(yīng)在電池達(dá)到 SOC 范圍的末端時(shí)啟用 (注 2)。為闡明這一點(diǎn)，我們假設(shè)一個(gè)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(gè)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(shí)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(gè)例子：一個(gè)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(gè)例子中則是相差 8%。BMS 電池測(cè)量誤差設(shè)定了一個(gè)用于確定電池之間相對(duì)狀態(tài)的限值。當(dāng) SOC 測(cè)量誤差為 ±2% (±10mV) 時(shí)，在電池測(cè)量電路可靠地檢測(cè)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(cè)量準(zhǔn)確度，那么要在這條放電曲線的某個(gè)精確定義的點(diǎn)上實(shí)現(xiàn)一個(gè)主動(dòng)平衡器幾乎將是不可能的。
圖 4：電池容量差異的檢測(cè)依賴于測(cè)量準(zhǔn)確度
當(dāng)考慮這個(gè)簡(jiǎn)單例子以外的復(fù)雜狀況時(shí)，電池測(cè)量準(zhǔn)確度的重要性就變得更加清楚了。例如：大多數(shù)電池組都存在連續(xù)的容量變化，并具有更加細(xì)微和難以檢測(cè)的 SOC 偏差。而且，電池在開始放電時(shí)不太可能都處于 80% SOC，因而或許會(huì)進(jìn)一步掩蓋容量的變化。另外，應(yīng)注意到 SOC 計(jì)算需要多個(gè)參數(shù)，這一點(diǎn)也是很重要的。這些其他參數(shù)的測(cè)量誤差并未減低對(duì)于準(zhǔn)確電池電壓測(cè)量的要求。相反，犧牲電池測(cè)量準(zhǔn)確度將很可能展寬電池壽命的分布。
電池監(jiān)視器內(nèi)部的電壓基準(zhǔn)是測(cè)量誤差的主要決定因素。電壓基準(zhǔn)中的任何變化都將直接導(dǎo)致電池測(cè)量準(zhǔn)確度的下降。目前這一代電池監(jiān)視器依靠的是帶隙電壓基準(zhǔn)。理論上講，帶隙基準(zhǔn)非常適合于整合到復(fù)雜的集成電路 (比如：電池組監(jiān)視器) 之中，因?yàn)樗鼈冎恍铇O少的芯片空間、低功率和低裕量電壓。然而，帶隙基準(zhǔn)對(duì)于機(jī)械應(yīng)力、IR 回流焊和濕度很敏感，因而會(huì)導(dǎo)致熱遲滯和長(zhǎng)期漂移。對(duì)于那些需要在 15 年以上的時(shí)間里保持非常高準(zhǔn)確度的高精度儀表，有一種更好的選擇。最新的電池監(jiān)視器 (例如：凌力爾特的 LTC6804) 內(nèi)置了一個(gè)掩埋式齊納電壓基準(zhǔn)。掩埋式齊納電壓基準(zhǔn)可在整個(gè)時(shí)間和工作條件下提供出色的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度。運(yùn)用這種方法，LTC6804 能夠保證一個(gè)低于 1.2mV 的電池電壓總測(cè)量誤差。
電池監(jiān)視器的準(zhǔn)確度并非限制在測(cè)量本身的準(zhǔn)確度。必需對(duì)汽車環(huán)境中電池測(cè)量加以考慮，這里存在著大量由逆變器、執(zhí)行器、開關(guān)和繼電器等所引起的電噪聲和瞬變。此類噪聲嵌入在電池信號(hào)之內(nèi)，而在重視準(zhǔn)確度的場(chǎng)合中必須消除該噪聲。通過(guò)在每節(jié)電池上布設(shè)一個(gè) RC 濾波器可實(shí)現(xiàn)適度的降噪;而由于成本和電路板空間的原因，在每節(jié)電池上使用一個(gè)較高階的濾波器電路是不切實(shí)際的。通過(guò)對(duì)來(lái)自每次信號(hào)測(cè)量的多個(gè)樣本進(jìn)行處理，可以消除適量的噪聲;鑒于電池?cái)?shù)量眾多，故需將海量數(shù)據(jù)傳送至一個(gè)中央處理器，因而使得這種方法同樣不具備實(shí)用性。一種實(shí)用而有效的解決方案是消除電池監(jiān)視器內(nèi)部的噪聲。例如：凌力爾特的 LTC6804 采用了具內(nèi)置三階噪聲濾波功能電路的增量-累加 (ΔΣ) 型 ADC。這一點(diǎn)與寬帶 SAR ADC 是截然不同的，后者的快速采集對(duì)于被噪聲損壞的信號(hào)其數(shù)值有限 (注 4)。為了優(yōu)化速度和降噪性能，LTC6804 的 ΔΣ ADC 能采用不同的拐角頻率 (范圍從 27kHz 至 26Hz) 運(yùn)作。對(duì)于汽車環(huán)境而言，采用 ΔΣ ADC 的方法是相當(dāng)有效的。
隨著大功率電池系統(tǒng)不斷地向主流產(chǎn)品邁進(jìn)，對(duì)于電池監(jiān)視電子產(chǎn)品的需求也將日益迫切。汽車只會(huì)提供嚴(yán)酷惡劣的使用環(huán)境，同時(shí)要求盡可能高的性能與可靠性。為了實(shí)現(xiàn)期望的行駛里程、可靠性和安全性，就必需周密地考慮造成性能損失的每一種不起眼的源頭。如欲獲取所有的可用電能，則需要運(yùn)用諸如電池電荷主動(dòng)平衡等尖端技術(shù)。此外，還需要實(shí)施盡可能準(zhǔn)確和穩(wěn)定的電池電壓測(cè)量。
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