高精度電池測(cè)量為電池管理增添了實(shí)際價(jià)值

圖 3：保護(hù)帶與電池測(cè)量誤差的相關(guān)性

盡管大多數(shù)鋰電池在最初購(gòu)得時(shí)通常匹配良好，但隨著時(shí)間的推移及充電循環(huán)的延續(xù)，一長(zhǎng)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(huì)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(yùn)作，當(dāng) SOC 出現(xiàn)偏差時(shí)，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(dòng)平衡時(shí)，具較高 SOC 的電池將放電以實(shí)現(xiàn)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)平衡僅通過移除電荷來起作用。其所耗費(fèi)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(duì)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操作，而且它需要大量的時(shí)間來完成。當(dāng) SOC 的變化量的增大時(shí)，被動(dòng)平衡的有效性逐步下降，而且隨著時(shí)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(huì)隨著其老化進(jìn)程而損失容量，各節(jié)電池的老化過程會(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(dāng)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(jié)電池在 SOC 限制范圍以外運(yùn)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(shí)，完全依賴被動(dòng)平衡會(huì)變得越來越困難。為避免受困于被動(dòng)平衡的局限性，新型電池管理系統(tǒng)開始逐漸采取主動(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(fèi)掉)。主動(dòng)平衡在充電和放電周期里皆可運(yùn)作。當(dāng)對(duì)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(qiáng)的電池。而當(dāng)對(duì)電池組進(jìn)行放電時(shí)，則可把電荷從較強(qiáng)的電池移走以補(bǔ)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(shí)間顯著減少。這允許在電池組使用的過程中進(jìn)行主動(dòng)平衡，因而能確保從每節(jié)單獨(dú)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(shí)現(xiàn)主動(dòng)電荷平衡。

理想的情況是：主動(dòng)平衡應(yīng)在電池達(dá)到 SOC 范圍的末端時(shí)啟用 (注 2)。為闡明這一點(diǎn)，我們假設(shè)一個(gè)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(gè)合適的點(diǎn)，以使平衡器能夠在其他電池繼續(xù)放電的同時(shí)將那節(jié)弱電池保持在運(yùn)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(jié)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(cè)量誤差設(shè)定了一個(gè)用于確定電池之間相對(duì)狀態(tài)的限值。當(dāng) SOC 測(cè)量誤差為 ±2% (±10mV) 時(shí)，在電池測(cè)量電路可靠地檢測(cè)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(cè)量準(zhǔn)確度，那么要在這條放電曲線的某個(gè)精確定義的點(diǎn)上實(shí)現(xiàn)一個(gè)主動(dòng)平衡器幾乎將是不可能的。

圖 4：電池容量差異的檢測(cè)依賴于測(cè)量準(zhǔn)確度