資料介紹
目前這一代電動汽車依靠能量范圍介于16kWh至53kWh之間的鋰離子電池組提供動力。而僅僅一加侖汽油所包含的能量就超過了36kWh.對于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來說,若要與內燃機(ICE)展開競爭就必需充分利用電池的全部儲能。為此,必須對電池組內部的每節電池進行仔細周密的監視和控制。
大功率電池組由一長串串接電池組成。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(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現電池組行車里程、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%時即被認為處于其壽命末期。通過限制工作電荷狀態(不允許電池滿充電或完全放電),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受限的范圍內,例如:20% SOC至80% SOC,其中SOC表示“電荷狀態”。這些SOC限值可根據電池的老化和工作情況(比如:高溫環境)進行調節。由于采用了此類限值,故電池組不會以滿容量地使用。例如:以20% SOC至80% SOC來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,而不要超過限值。鋰電池在其工作范圍內表現出平坦的放電曲線,使得上述挑戰的難度進一步加大。因此,在整個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,我們來看一下簡化的鋰電池放電曲線(示于圖1)。該曲線在整個工作區內具有一個恒定的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±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的真實電池電壓介于3.74V和3.76V之間。這對應的實際SOC范圍為76%至80%.由于存在該測量誤差,因此必須利用一個“保護帶”對工作范圍加以限制,從而確保不超過工作限值。在本例中,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。對于一輛使用價格3000美元的5kWh電池組(即每kWh電能的成本為600美元)的HEV來說,這將造成成本額外增加214美元。
大功率電池組由一長串串接電池組成。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(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現電池組行車里程、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%時即被認為處于其壽命末期。通過限制工作電荷狀態(不允許電池滿充電或完全放電),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受限的范圍內,例如:20% SOC至80% SOC,其中SOC表示“電荷狀態”。這些SOC限值可根據電池的老化和工作情況(比如:高溫環境)進行調節。由于采用了此類限值,故電池組不會以滿容量地使用。例如:以20% SOC至80% SOC來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,而不要超過限值。鋰電池在其工作范圍內表現出平坦的放電曲線,使得上述挑戰的難度進一步加大。因此,在整個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,我們來看一下簡化的鋰電池放電曲線(示于圖1)。該曲線在整個工作區內具有一個恒定的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±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的真實電池電壓介于3.74V和3.76V之間。這對應的實際SOC范圍為76%至80%.由于存在該測量誤差,因此必須利用一個“保護帶”對工作范圍加以限制,從而確保不超過工作限值。在本例中,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。對于一輛使用價格3000美元的5kWh電池組(即每kWh電能的成本為600美元)的HEV來說,這將造成成本額外增加214美元。
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