人妻少妇伦在线电影不卡_高精度電池測量為電池管理增添了實(shí)際價(jià)值>>深圳市永阜康電子有限公司

目前這一代電動(dòng)汽車(chē)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.對于電動(dòng)汽車(chē)或混合動(dòng)力汽車(chē)（HEV）抑或是任何的大功率電池系統來(lái)說(shuō)，若要與內燃機（ICE）展開(kāi)競爭就必需充分利用電池的全部?jì)δ�。為此，必須對電池組內部的每節電池進(jìn)行仔細周密的監視和控制。

大功率電池組由一長(cháng)串串接電池組成。電池監視器IC直接連接至每節電池，負責準確地測量每節電池的電壓。這絕不是一件簡(jiǎn)單的工作，因為各個(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（BMS）整合了電池電壓與電流、溫度和工作情況記錄，以連續獲知每節電池的狀況。雖然這是一項棘手的難題，但利用準確的監視和控制仍可實(shí)現電池組行車(chē)里程、可靠性和安全性的最大化。

HEV或EV中電池的預計使用期限是10~15年，而當電池失去其原始容量的80%時(shí)即被認為處于其壽命末期。通過(guò)限制工作電荷狀態(tài)（不允許電池滿(mǎn)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，例如：20% SOC至80% SOC，其中SOC表示“電荷狀態(tài)”。這些SOC限值可根據電池的老化和工作情況（比如：高溫環(huán)境）進(jìn)行調節。由于采用了此類(lèi)限值，故電池組不會(huì )以滿(mǎn)容量地使用。例如：以20% SOC至80% SOC來(lái)運作電池組將把可用SOC限制在這60%范圍。BMS所面臨的挑戰是使每節電池盡可能接近限值運作，而不要超過(guò)限值。鋰電池在其工作范圍內表現出平坦的放電曲線(xiàn)，使得上述挑戰的難度進(jìn)一步加大。因此，在整個(gè)工作范圍內電池電壓的變化非常之小，作為SOC計算的一部分，電池監視器必須進(jìn)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(lái)看一下簡(jiǎn)化的鋰電池放電曲線(xiàn)（示于圖1）。該曲線(xiàn)在整個(gè)工作區內具有一個(gè)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范圍之內且具有相似放電特性的電池組將面臨嚴重的不利后果。

如圖2所示，倘若電池監視器具有一個(gè)±10mV的電池電壓測量誤差，則3.75V的電池電壓測量值實(shí)際上有可能對應的真實(shí)電池電壓介于3.74V和3.76V之間。這對應的實(shí)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(gè)“保護帶”對工作范圍加以限制，從而確保不超過(guò)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(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。

可以擴展該論點(diǎn)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的系統所需的額外電池容量不到1%，甚至當電池組被限制在一個(gè)25%至75%的SOC范圍（即50%的可用SOC）時(shí)也不例外。

盡管大多數鋰電池在最初購得時(shí)通常匹配良好，但隨著(zhù)時(shí)間的推移及充電循環(huán)的延續，一長(cháng)串電池的SOC將出現偏差。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(huì )導致小的自放電和負載電流差異。為避免使任何一節電池在其SOC范圍之外運作，當SOC出現偏差時(shí)，電荷最不平衡的那幾節電池將使電池組的總工作范圍慢慢地限制。為解決這一問(wèn)題，幾乎所有的電池管理系統都包括了電池電荷平衡功能電路。

采用被動(dòng)平衡時(shí)，具較高SOC的電池將放電以實(shí)現所有電池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。其所耗費的能量與電池電荷不平衡的幅度之間存在函數關(guān)系，并產(chǎn)生大量的熱量。這意味著(zhù)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(dòng)平衡主要局限于離線(xiàn)操作，而且它需要大量的時(shí)間來(lái)完成。當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(zhù)時(shí)間的推移，SOC的變化將由于電池容量偏差的出現而增加。

電池會(huì )隨著(zhù)其老化進(jìn)程而損失容量，各節電池的老化過(guò)程會(huì )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(dòng)等。當容量存在差異時(shí)，電池將更容易變至不平衡的狀態(tài)。即使只允許一節電池在SOC限制范圍以外運作，也將由于導致電池過(guò)早老化而使該問(wèn)題愈發(fā)嚴重。當電池容量出現偏差時(shí)，完全依賴(lài)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，新型電池管理系統開(kāi)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)那樣被浪費掉）。主動(dòng)平衡在充電和放電周期里皆可運作。當對電池組充電時(shí)，主動(dòng)平衡器可將電荷從較弱的電池移動(dòng)至較強的電池。而當對電池組進(jìn)行放電時(shí)，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(guò)某種高效電路（比如：反激式轉換器）進(jìn)行轉移，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(zhù)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(chē)電池組中實(shí)現主動(dòng)電荷平衡。

理想的情況是：主動(dòng)平衡應在電池達到SOC范圍的末端時(shí)啟用。為闡明這一點(diǎn)，我們假設一個(gè)含有多節具均勻容量的電池以及一節較低容量“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，則那節弱電池的SOC將慢慢地與其余的各節電池出現偏差。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放電的同時(shí)將那節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(gè)例子：一個(gè)例子是一節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電池測量誤差設定了一個(gè)用于確定電池之間相對狀態(tài)的限值。當SOC測量誤差為±2% （±10mV）時(shí)，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到4%.如果不具備遠遠優(yōu)于±10mV的電池測量準確度，那么要在這條放電曲線(xiàn)的某個(gè)精確定義的點(diǎn)上實(shí)現一個(gè)主動(dòng)平衡器幾乎將是不可能的。

測量準確度的意義并不局限于主動(dòng)平衡。由該例可知，4%的SOC差異將轉化為一個(gè)超過(guò)6.6%的容量變化。對于容量下降20%之后即達到其壽命末期的汽車(chē)電池而言，這就是重大的不可恢復容量。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，而未察覺(jué)的容量變化則有可能是一個(gè)嚴重的問(wèn)題。

當考慮這個(gè)簡(jiǎn)單例子以外的復雜狀況時(shí)，電池測量準確度的重要性就變得更加清楚了。例如：大多數電池組都存在連續的容量變化，并具有更加細微和難以檢測的SOC偏差。而且，電池在開(kāi)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，應注意到SOC計算需要多個(gè)參數，這一點(diǎn)也是很重要的。這些其他參數的測量誤差并未減低對于準確電池電壓測量的要求。相反，犧牲電池測量準確度將很可能展寬電池壽命的分布。

電池監視器內部的電壓基準是測量誤差的主要決定因素。電壓基準中的任何變化都將直接導致電池測量準確度的下降。目前這一代電池監視器依靠的是帶隙電壓基準。理論上講，帶隙基準非常適合于整合到復雜的集成電路（比如：電池組監視器）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，帶隙基準對于機械應力、IR回流焊和濕度很敏感，因而會(huì )導致熱遲滯和長(cháng)期漂移。對于那些需要在15年以上的時(shí)間里保持非常高準確度的高精度儀表，有一種更好的選擇。最新的電池監視器（例如：凌力爾特的LTC6804）內置了一個(gè)掩埋式齊納電壓基準。掩埋式齊納電壓基準可在整個(gè)時(shí)間和工作條件下提供出色的長(cháng)期穩定性和準確度。運用這種方法，LTC6804能夠保證一個(gè)低于1.2mV的電池電壓總測量誤差。

電池監視器的準確度并非限制在測量本身的準確度。必需對汽車(chē)環(huán)境中電池測量加以考慮，這里存在著(zhù)大量由逆變器、執行器、開(kāi)關(guān)和繼電器等所引起的電噪聲和瞬變。此類(lèi)噪聲嵌入在電池信號之內，而在重視準確度的場(chǎng)合中必須消除該噪聲。通過(guò)在每節電池上布設一個(gè)RC濾波器可實(shí)現適度的降噪；而由于成本和電路板空間的原因，在每節電池上使用一個(gè)較高階的濾波器電路是不切實(shí)際的。通過(guò)對來(lái)自每次信號測量的多個(gè)樣本進(jìn)行處理，可以消除適量的噪聲；鑒于電池數量眾多，故需將海量數據傳送至一個(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視器內部的噪聲。例如：凌力爾特的LTC6804采用了具內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，后者的快速采集對于被噪聲損壞的信號其數值有限。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。對于汽車(chē)環(huán)境而言，采用ΔΣADC的方法是相當有效的。

隨著(zhù)大功率電池系統不斷地向主流產(chǎn)品邁進(jìn)，對于電池監視電子產(chǎn)品的需求也將日益迫切。汽車(chē)只會(huì )提供嚴酷惡劣的使用環(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(dòng)平衡等尖端技術(shù)。此外，還需要實(shí)施盡可能準確和穩定的電池電壓測量。