高精度電池測量為電池管理增添了實(shí)際價(jià)值

圖 3：保護帶與電池測量誤差的相關(guān)性

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 (注 2)。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。

圖 4：電池容量差異的檢測依賴(lài)于測量準確度