詳細(xì)解讀電池測量準(zhǔn)確度的重要性 - 全文

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(jìn)行仔細(xì)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(fù)責(zé)準(zhǔn)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(zhǔn)確的監(jiān)視和控制仍可實現(xiàn)電池組行車?yán)锍?、可靠性和安全性的最大化?/p>

HEV 或 EV 中電池的預(yù)計使用期限是 10~15 年，而當(dāng)電池失去其原始容量的 80% 時即被認(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(jìn)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(jìn)行非常準(zhǔn)確的測量。

為了闡明電池測量準(zhǔn)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(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(hù)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(zhǔn)確度的 BMS 將需要額外的電池容量以補償保護(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(hù)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(hù)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(dāng)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(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掉)。主動平衡在充電和放電周期里皆可運作。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的電池。而當(dāng)對電池組進(jìn)行放電時，則可把電荷從較強的電池移走以補償較弱的電池。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，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，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上實現(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

測量準(zhǔn)確度的意義并不局限于主動平衡。由該例可知，4% 的 SOC 差異將轉(zhuǎn)化為一個超過 6.6% 的容量變化 (注 3)。對于容量下降 20% 之后即達(dá)到其壽命末期的汽車電池而言，這就是重大的不可恢復(fù)容量。更重要的是，電池容量的變化是反映其健康狀況的一項關(guān)鍵指標(biāo)，而未察覺的容量變化則有可能是一個嚴(yán)重的問題。

當(dāng)考慮這個簡單例子以外的復(fù)雜狀況時，電池測量準(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)微和難以檢測的 SOC 偏差。而且，電池在開始放電時不太可能都處于 80% SOC，因而或許會進(jìn)一步掩蓋容量的變化。另外，應(yīng)注意到 SOC 計算需要多個參數(shù)，這一點也是很重要的。這些其他參數(shù)的測量誤差并未減低對于準(zhǔn)確電池電壓測量的要求。相反，犧牲電池測量準(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，因為它們只需極少的芯片空間、低功率和低裕量電壓。然而，帶隙基準(zhǔn)對于機械應(yīng)力、IR 回流焊和濕度很敏感，因而會導(dǎo)致熱遲滯和長期漂移。對于那些需要在 15 年以上的時間里保持非常高準(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)置了一個掩埋式齊納電壓基準(zhǔn)。掩埋式齊納電壓基準(zhǔn)可在整個時間和工作條件下提供出色的長期穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度。運用這種方法，LTC6804 能夠保證一個低于 1.2mV 的電池電壓總測量誤差。

電池監(jiān)視器的準(zhǔn)確度并非限制在測量本身的準(zhǔn)確度。必需對汽車環(huán)境中電池測量加以考慮，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之內(nèi)，而在重視準(zhǔn)確度的場合中必須消除該噪聲。通過在每節(jié)電池上布設(shè)一個 RC 濾波器可實現(xiàn)適度的降噪；而由于成本和電路板空間的原因，在每節(jié)電池上使用一個較高階的濾波器電路是不切實際的。通過對來自每次信號測量的多個樣本進(jìn)行處理，可以消除適量的噪聲；鑒于電池數(shù)量眾多，故需將海量數(shù)據(jù)傳送至一個中央處理器，因而使得這種方法同樣不具備實用性。一種實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。這一點與寬帶 SAR ADC 是截然不同的，后者的快速采集對于被噪聲損壞的信號其數(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) 運作。對于汽車環(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)，對于電池監(jiān)視電子產(chǎn)品的需求也將日益迫切。汽車只會提供嚴(yán)酷惡劣的使用環(huán)境，同時要求盡可能高的性能與可靠性。為了實現(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，則需要運用諸如電池電荷主動平衡等尖端技術(shù)。此外，還需要實施盡可能準(zhǔn)確和穩(wěn)定的電池電壓測量。

注 1: 電池額外容量等于 (0.6/0.56) – 1?

注 2: 為獲得最大效率，應(yīng)在需要的時候采用主動平衡。完全保持在 SOC 限制范圍內(nèi)的系統(tǒng)所需的主動平衡將遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于接近限值運作的系統(tǒng)。

注 3: 對于一個 22% 至 78% 的 SOC 范圍 (保護(hù)帶范圍)，0.066 = (0.04/0.60)。

注 4: SAR 轉(zhuǎn)換器可實現(xiàn)簡單的片內(nèi)平均處理，但平均處理具有不良的濾波器特性。