詳細解讀電池測量準確度的重要性

目前這一代電動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力。而僅僅一加侖汽油所包含的能量就超過了 36kWh。對于電動汽車或混合動力汽車 (HEV) 抑或是任何的大功率電池系統(tǒng)來說，若要與內(nèi)燃機 (ICE) 展開競爭就必需充分利用電池的全部儲能。為此，必須對電池組內(nèi)部的每節(jié)電池進行仔細周密的監(jiān)視和控制。

大功率電池組由一長串串接電池組成。電池監(jiān)視器 IC 直接連接至每節(jié)電池，負責(zé)準確地測量每節(jié)電池的電壓。這絕不是一件簡單的工作，因為各個電池位于一個非常高電壓電池串的不同點上，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。雖然這是一項棘手的難題，但利用準確的監(jiān)視和控制仍可實現(xiàn)電池組行車里程、可靠性和安全性的最大化。

HEV 或 EV 中電池的預(yù)計使用期限是 10~15 年，而當電池失去其原始容量的 80% 時即被認為處于其壽命末期。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) 進行調(diào)節(jié)。由于采用了此類限值，故電池組不會以滿容量地使用。例如：以 20% SOC 至 80% SOC 來運作電池組將把可用 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)的難度進一步加大。因此，在整個工作范圍內(nèi)電池電壓的變化非常之小，作為 SOC 計算的一部分，電池監(jiān)視器必須進行非常準確的測量。

為了闡明電池測量準確度的重要性，我們來看一下簡化的鋰電池放電曲線 (示于圖 1)。該曲線在整個工作區(qū)內(nèi)具有一個恒定的 5mV/% (SOC) 斜率。倘若電池電壓測量準確度欠佳，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重的不利后果。

圖 1：簡化的電池放電曲線

如圖 2 所示，倘若電池監(jiān)視器具有一個 ±10mV 的電池電壓測量誤差，則 3.75V 的電池電壓測量值實際上有可能對應(yīng)的真實電池電壓介于 3.74V 和 3.76V 之間。這對應(yīng)的實際 SOC 范圍為 76% 至 80%。由于存在該測量誤差，因此必須利用一個“保護帶” 對工作范圍加以限制，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，那么具有該準確度的 BMS 將需要額外的電池容量以補償保護帶限制。假設(shè) 60% 的可用 SOC，則電池容量必須加大 7% (注 1) 以補償 ±10mV 的電池測量誤差。對于一輛使用價格 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 ±10mV 電池測量誤差的保護帶要求

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

圖 3：保護帶與電池測量誤差的相關(guān)性