加速電動(dòng)汽車(EV)實(shí)際應(yīng)用的鋰離子電池

電動(dòng)汽車(EV)的開發(fā)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)與汽油動(dòng)力車和柴油動(dòng)力車相媲美的駕駛性能和巡航里程。在各種技術(shù)開發(fā)促進(jìn)電動(dòng)汽車發(fā)展的進(jìn)程中，體積能量密度和重量能量密度都比傳統(tǒng)的鎳氫電池高數(shù)倍以上的鋰離子電池的出現(xiàn)可以說大大加速了電動(dòng)汽車的實(shí)際應(yīng)用。
鋰離子電池一般是指用鋰過渡金屬復(fù)合氧化物作正極，用碳材料作負(fù)極的電池，但也有用鋰基氧化物作負(fù)極而不是正極的電池，各種材料的組合已進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段。
鋰離子電池具有優(yōu)異的體積能量密度和重量能量密度，但為了達(dá)到與汽油動(dòng)力車和柴油動(dòng)力車相同的巡航里程，傳統(tǒng)上必須配備一個(gè)相當(dāng)大的電池單元。但是現(xiàn)在，不僅電池的性能得到了提高，驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的功率半導(dǎo)體的效率等也得到了提高，甚至小型電動(dòng)汽車的巡航里程也超過400km(WLTC模式)。

安全的充放電控制中不可或缺的電池管理系統(tǒng)(BMS)

電池管理系統(tǒng)(BMS)在提高安裝在電動(dòng)汽車上的電池性能方面起著重要作用。該系統(tǒng)由電子電路和軟件構(gòu)成，主要具備以下兩個(gè)功能：

過電壓、過電流、異常發(fā)熱等的檢測(cè)及切斷控制；

充電控制和作為剩余巡航里程大致標(biāo)準(zhǔn)的電池剩余電量(充電狀態(tài)：SOC＝State of Charge)的推算。

鋰離子電池，充電超過完全充電電壓或放電超過終止電壓都有可能導(dǎo)致異常發(fā)熱等，因此準(zhǔn)確理解SOC對(duì)于安全充放電管理也是必不可少的。
此外，BMS還具有以下功能作為選項(xiàng)：

電池平衡控制，通過調(diào)整電池單體的充電狀態(tài)使得電池組的容量最大化。

其中，(2)是BMS的基本功能之一，這里對(duì)此予以說明。

推算電池組充電狀態(tài)(SOC)的方法

在汽油動(dòng)力車和柴油動(dòng)力車上，可通過燃料箱中的浮子（float）高度來從物理上把握燃料水平，而在電動(dòng)汽車上，無法從外部了解多少能量存儲(chǔ)在電池組中，因而必須使用專用的電路和算法來進(jìn)行“推算”。
了解SOC大致上有兩種方法：
(a)測(cè)量電池單體電壓的方法；
(b)累計(jì)電池組輸入輸出電流的方法。

(a)測(cè)量電池單體電壓的方法

首先說明從電池電壓了解SOC的方法(圖1)。
用AD轉(zhuǎn)換器來讀取構(gòu)成電池組的各個(gè)電池單體兩端的電壓，賦予SOC的推算邏輯。此外，電池單體電壓會(huì)隨著溫度而變動(dòng)，所以還要測(cè)量電池組的溫度，并賦予SOC推算邏輯。
但是，在成本和安裝方面準(zhǔn)備與電池單體數(shù)量一樣多的AD轉(zhuǎn)換器會(huì)有較多的浪費(fèi)，所以通常將多路復(fù)用器置于AD轉(zhuǎn)換器前段，在一定周期內(nèi)一邊掃描一邊進(jìn)行測(cè)量。
測(cè)量電池單體電壓的AD轉(zhuǎn)換器不怎么要求高速性，但它要求數(shù)mV的精度，因此似乎經(jīng)常使用比較容易確保10位以上ENOB(有效位數(shù))的ΔΣ型。

圖1.測(cè)量電池單體電壓的BMS的概念圖

圖2. 鋰離子電池電芯電壓與SOC關(guān)系示意圖

作為一個(gè)示例，假設(shè)完全充電時(shí)的電壓為3.4V，終止電壓為2.7V，但這要取決于正極和負(fù)極中使用的材料(圖2)。
換句話說，假設(shè)3.4V時(shí)為100%，2.7V時(shí)為0%，只要根據(jù)電池單體電壓計(jì)算SOC就可以了。但是，要以1%的單位計(jì)算SOC，必須以0.7÷100＝0.007V(7mV)的高精度測(cè)量電池單體電壓。實(shí)際上，電池單體電壓具有溫度系數(shù)，在高溫時(shí)升高，在低溫時(shí)降低。特別是在行駛和充電(包括再生制動(dòng))過程中，溫度會(huì)隨流過的電流而變動(dòng)，所以電壓也會(huì)有微妙的變動(dòng)，不穩(wěn)定。雖然可以根據(jù)電池單體和電池組的溫度在一定程度上進(jìn)行校正，但在不穩(wěn)定的狀況下很難保持較高的測(cè)量精度。找元器件現(xiàn)貨上唯樣商城
由于這些制約，在測(cè)量電池單體電壓求取SOC時(shí)，似乎經(jīng)常設(shè)定相應(yīng)的裕度(譬如，假設(shè)測(cè)量誤差為±10%，將實(shí)際的10％～90％作為0％～100％予以標(biāo)示等)。

(b)累計(jì)電池組輸入輸出電流的方法

(b)是一種對(duì)流入和流出電池單體的電流進(jìn)行累計(jì)，并根據(jù)將會(huì)殘留在電池單體中的電荷(能量)求取SOC的方法(圖3)。
這種方法也被稱為庫侖計(jì)數(shù)法。譬如，如果電池組的容量是1000Ahr，并且測(cè)量出相當(dāng)于10.0Ahr的電荷流過時(shí)，則可求得SOC減少了1.00%。相反，在充入的電荷相當(dāng)于10.0Ahr時(shí)，可求得SOC增加了1.00%。
利用A/D轉(zhuǎn)換器將μΩ級(jí)的檢測(cè)電阻(匯流排等)的兩端電壓予以轉(zhuǎn)換并累計(jì)，而為了抑制誤差的累積，有效位數(shù)必須相應(yīng)地多，且必須在一定程度上提高采樣率以便捕獲變動(dòng)。

圖3.對(duì)流入和流出電池組的電流進(jìn)行累計(jì)，求取SOC的庫侖計(jì)數(shù)器的模式圖

但是，前面描述的(a)和(b)的方法只是脫離實(shí)際的空論，實(shí)際上必須在考慮電池單體的經(jīng)時(shí)老化(SOH：State of Health)等因素的同時(shí)求取SOC。安裝因汽車廠家而不同，詳情不得而知，但SOC是在使用圖1和圖3所示的手法測(cè)得的電壓和電流等信息的同時(shí)，使用卡爾曼濾波器等數(shù)學(xué)手法進(jìn)行推算的。
此外，作為BMS的基本作用而列出的“(1)過電壓、過電流、異常發(fā)熱等的檢測(cè)和切斷控制”基本上是通過擴(kuò)展測(cè)量電池單體電壓和溫度的電路、及測(cè)量電池組流入和流出電流的電路來實(shí)現(xiàn)的。

通過平衡控制使得電池性能最大化

鋰離子電池在反復(fù)充放電過程中會(huì)逐漸老化。如果構(gòu)成電池組的所有電池單體都同樣老化，則不會(huì)有多大的問題，但實(shí)際情況是會(huì)出現(xiàn)偏差。
在電池組內(nèi)，電池單體如圖1和圖3所示是串聯(lián)連接的，但在模式上如圖4所示考慮并聯(lián)連接電池單體的情形。

在電池單體的特性或性能因經(jīng)年變化等原因而出現(xiàn)偏差時(shí)，需要在剩余電量(SOC)最小的電池單體達(dá)到放電下限的時(shí)點(diǎn)停止放電(圖4左下)。換句話說，無法使用其他電池單體中紅色箭頭之間部分的能量。

圖4.電池單體不平衡的模式圖

此外，充電中，需要在剩余電量最多的電池單體到達(dá)充電上限電壓時(shí)停止充電(圖4右下)。無法對(duì)其他電池單體中紅色箭頭之間的部分進(jìn)行充電。
也即，有效容量將由于某些電池單體的速率出現(xiàn)偏差而減少。

用來抑制這種偏差的就是電池平衡。其手法包括無源平衡和有源平衡，無源平衡讓剩余電量多的電池單體與電阻負(fù)荷連接令其放電，并將各電池單體的SOC調(diào)整到放電下限，有源平衡將能量從高剩余電量多的電池單體分配給剩余電量少的電池單體。電路當(dāng)然是后者變得復(fù)雜。

繼續(xù)關(guān)注不斷進(jìn)化的BMS

BMS的一部分在模式上如圖1和圖3所示，但實(shí)際上它更為復(fù)雜，需要很多組件。為了實(shí)現(xiàn)小型化，集成了這些功能的BMS IC和電路零部件已經(jīng)被各種電子零部件廠家推向了市場(chǎng)。
此外，包括SOC的推算在內(nèi)，每天都在不斷開發(fā)新的控制方式。本次列出的傳統(tǒng)思維方式最終可能都會(huì)被歸類為“古典手法”。
就電池本身而言，新型正極材料和負(fù)極材料的研發(fā)正在進(jìn)行中，能量密度有望進(jìn)一步提高。
今后我們?nèi)詫⒗^續(xù)關(guān)注BMS的普及和進(jìn)化。

下次，我們將介紹ADAS（先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)）和作為自動(dòng)駕駛關(guān)鍵部分的AI處理器。

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審核編輯 黃宇