鉅大LARGE | 點擊量：790次 | 2021年08月26日
高精度電池測量在電池管理中的用途分析
目前這一代電動汽車依賴能量范圍介于16kWh至53kWh之間的鋰離子電池包供應(yīng)動力。而僅僅一加侖汽油所蘊含的能量就超過了36kWh。有關(guān)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(jī)(ICE)展開競爭就必需充足利用電池的全部儲能。為此，非得對電池包內(nèi)部的每節(jié)電池進(jìn)行仔細(xì)周密的監(jiān)視和控制。
大功率電池包由一長串串接電池包成。電池監(jiān)視器IC筆直連接至每節(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，以繼續(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)電池包行車?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)(不準(zhǔn)許電池滿充電或完全放電)，可最大限度地新增電池的使用壽命和可靠性。典型的電池包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限值可依據(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，故電池包不會以滿容量地使用。例如：以20%SOC至80%SOC來運作電池包將把可用SOC限制在這60%范圍。bMS所面對的挑戰(zhàn)是使每節(jié)電池盡可能接近限值運作，而不要超過限值。鋰離子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)視器非得進(jìn)行非常準(zhǔn)確的測量。
為了闡明電池測量準(zhǔn)確度的緊要性，我們來看一下簡化的鋰離子電池放電曲線(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。假若電池電壓測量準(zhǔn)確度欠佳，那么工作在20%至80%SOC范圍之內(nèi)且具有相近放電特性的電池包將面對嚴(yán)重的不利后果。
圖1：簡化的電池放電曲線
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
如圖2所示，假若電池監(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)的真切電池電壓介于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，因此非得利用一個保護(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，非得把工作范圍限制在22%至78%的測量范圍(而不是20%至80%)。倘若期待電池包保持相同的范圍，那么具有該準(zhǔn)確度的bMS將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，則電池容量非得加大7%(注1)以補償10mV的電池測量誤差。有關(guān)一輛使用價格3000美元的5kWh電池包(即每kWh電能的成本為600美元)的HEV來說，這將造成成本額外新增214美元。
圖2：針對10mV電池測量誤差的保護(hù)帶要求
可以擴(kuò)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)電池包被限制在一個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)鋰離子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。為戒備使任何一節(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)電池將使電池包的總工作范圍慢慢地限制。為處理這一問題，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用途。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，并出現(xiàn)大量的熱量。這意味著非得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，被動平衡緊要局限于離線操作，而且它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)而新增。
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：電池包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)。即使只準(zhǔn)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，完全依靠被動平衡會變得越來越困難。為戒備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辦法。
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)對電池包充電時，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)對電池包進(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。這準(zhǔn)許在電池包使用的過程中進(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)已可在汽車電池包中實現(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)具平均容量的電池以及一節(jié)較低容量弱電池的電池包。倘若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非得確定一個適宜的點，以使平衡器能夠在其他電池持續(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)電池的容量與電池包其余電池相差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測試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%。倘若不具備遠(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含義的點上實現(xiàn)一個主動平衡器幾乎將是不可能的。
圖4：電池容量差異的測試依靠于測量準(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)。有關(guān)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。更緊要的是，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)確度的緊要性就變得更加清楚了。例如：大多數(shù)電池包都存在繼續(xù)的容量變化，并具有更加纖細(xì)和難以測試的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)留意到SOC計算要多個參數(shù)，這一點也是很緊要的。這些其他參數(shù)的測量誤差并未減低有關(guān)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)是測量誤差的緊要決定因素。電壓基準(zhǔn)中的任何變化都將筆直導(dǎo)致電池測量準(zhǔn)確度的下降。目前這一代電池監(jiān)視器依賴的是帶隙電壓基準(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：電池包監(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)有關(guān)機(jī)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。有關(guān)那些要在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供應(yīng)出色的長期穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度。運用這種辦法，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)確度的場合中非得消除該噪聲。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由，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)行解決，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)傳送至一個中央解決器，因而使得這種辦法同樣不具備實用性。一種實用而有效的處理辦法是消除電池監(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SARADC是截然不同的，后者的快速采集有關(guān)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ΔΣADC能采用不同的拐角頻率(范圍從27kHz至26Hz)運作。有關(guān)汽車環(huán)境而言，采用ΔΣADC的辦法是相當(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)，有關(guān)電池監(jiān)視電子產(chǎn)品的需求也將日益急切。汽車只會供應(yīng)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)期待的行駛里程、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，則要運用諸如電池電荷主動平衡等頂端技術(shù)。此外，還要執(zhí)行盡可能準(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:有關(guān)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)均勻解決，但均勻解決具有不良的濾波器特性。
