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高精度电池测量为电池管理增添了实际价值

来源:    编辑:    发布时间:2015-01-08 08:22:27    浏览量:

目前这一代电动汽车依靠能量范围介于 16kWh 至 53kWh 之间的锂离子电池组提供动力。而仅仅一加仑汽油所包含的能量就超过了 36kWh。对于电动汽车或混合动力汽车 (HEV) 抑或是任何的大功率电池系统来说,若要与内燃机 (ICE) 差模电感展开竞争就必需充分利用电池的全部储能。为此,必须对电池组内部的每节电池进行仔细周密的监视和控制。

大功率电池组由一长串串接电池组成。电池监视器 IC 直接连接至每节电池,负责准确地测量每节电池的电压。这绝不是一件简单的工作,因为各个电池位于一个非常高电压电池串的不同点上,而电池串很容易遭受惊人的电尖峰和电磁干扰 (EMI)。电池管理系统 (BMS) 整合了电池电压与电流、温度和工作情况记录,以连续获知每节电池的状况。虽然这是一项棘手的难题,但利用准确的监视和控制仍可实现电池组行车里程、可靠性和安全性的最大化。

HEV 或 EV 中电池的预计使用期限是 10~15 年,而当电池失去其原始容量的 80% 时即被认为处于其寿命末期。通过限制工作电荷状态 (不允许电池满充电或完全放电),可最大限度地增加电池的使用寿命和可靠性。典型的电池组工作于一个受限的范围内,例如:20% SOC 至 80% SOC,其中 SOC 表示“电荷状态”。这些 SOC 限值可根据电池的老化和工作情况 (比如:高温环境) 进行调节。由于采用了此类限值,故电池组不会以满容量地使用。例如:以 20% SOC 至 80% SOC 来运作电池组将把可用 SOC 限制在这 60% 范围。BMS 所面临的挑战是使每节电池尽可能接近限值运作,而不要超过限值。锂电池在其工作范围内表现出平坦的放电曲线,使得上述挑战的难度进一步加大。因此,在整个工作范围内电池电压的变化非常之小,作为 SOC 计算的一部分,电池监视器必须进行非常准确的测量。

为了阐明电池测量准确度的重要性,大家来看一下简化的锂电池放电曲线 (示于图 1)。铁氧体电感该曲线在整个工作区内具有一个恒定的 5mV/% (SOC) 斜率。倘若电池电压测量准确度欠佳,那么工作在 20% 至 80% SOC 范围之内且具有相似放电特性的电池组将面临严重的不利后果。

图 1:简化的电池放电曲线

如图 2 所示,倘若电池监视器具有一个 ±10mV 的电池电压测量误差,则 3.75V 的电池电压测量值电感器厂家实际上有可能对应的真实电池电压介于 3.74V 和 3.76V 之间。这对应的实际 SOC 范围为 76% 至 80%。由于存在该测量误差,因此必须利用一个“保护带” 对工作范围加以限制,从而确保不超过工作限值。在本例中,必须把工作范围共模电感器限制在 22% 至 78% 的测量范围 (而不是 20% 至 80%)。假如希望电池组保持相同的范围,那么具有该准确度的 BMS 将需要额外的电池容量以补偿保护带限制。假设 60% 的可用 SOC,则电池容量必须加大 7% (注 1) 以补偿 ±10mV 的电池测量误差。对于一辆使用价格 3000 美金的 5kWh 电池组 (即每 kWh 电能的成本为 600 美金) 的 HEV 来说,这将造成成本额外增加 214 美金。

图 2:针对 ±10mV 电池测量误差的保护带要求

可以扩展该论点以凸显针对各种不同电池测量误差的“保护带损失”及其与 SOC 范围的相关性。如图 3 所示,测量误差仅为电感生产 1mV 的系统所需的额外电池容量不到 1%,甚至当电池组被限制在一个 25% 至 75% 的 SOC 范围 (即 50% 的可用 SOC) 时也不例外。

图 3:保护带与电池测量误差的相关性

尽管大多数锂电池在最初购得时通常匹配良好,但随着时间的推移及充电循环的延续,一长串电池的 SOC 将出现偏差。这是由于电池特性和局部工作条件的小幅变化引起的,这会导致小的自放电和负载电流差异。为避免使任何一节电池在其 SOC 范围之外运作,当 SOC 出现偏差时,电荷最不平衡的那几节电池将使电池组的总工作范围慢慢地限制。为解决这一问题,几乎所有的电池管理系统都包括了电池电荷平衡功能电路。

采用被动平衡时,具较高 SOC 的电池将放电以实现所有电池 SOC 的归一化。这是一种低成本的简单平衡法。然而,它存在重大的局限性:被动平衡仅通过移除电荷来起作用。其所耗费的能量与电池电荷不平衡的幅度之间存在函数关系,并产生大量的热量。这意味着必须保持相对较小的平衡电流,通常为电池容量的 5% 或以下。因此,被动平衡主要局限于离线操作,而且它需要大量的时间来完成。当 SOC 的变化量的增大时,被动平衡的有效性逐步下降,而且随着时间的推移,SOC 的变化将由于电池容量偏差的出现而增加。

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