高精度电池测量为电池管理增添了实际价值

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）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，我们来看一下简化的锂电池放电曲线（示于图1）。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。

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，必须把工作范围限制在22%至78%的测量范围（而不是20%至80%）。假如期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美元的5kWh电池组（即每kWh电能的成本为600美元）的HEV来说，这将造成成本额外增加214美元。

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。

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。

电池会随着其老化进程而损失容量，各节电池的老化过程会由于诸多因素的影响而存在差异，例如：电池组温度梯度及电池制造中的波动等。当容量存在差异时，电池将更容易变至不平衡的状态。即使只允许一节电池在SOC限制范围以外运作，也将由于导致电池过早老化而使该问题愈发严重。当电池容量出现偏差时，完全依赖被动平衡会变得越来越困难。为避免受困于被动平衡的局限性，新型电池管理系统开始逐渐采取主动平衡的方法。

采用主动平衡时，电荷在电池之间移动（而不像采用被动平衡时那样被浪费掉）。主动平衡在充电和放电周期里皆可运作。当对电池组充电时，主动平衡器可将电荷从较弱的电池移动至较强的电池。而当对电池组进行放电时，则可把电荷从较强的电池移走以补偿较弱的电池。电荷通过某种高效电路（比如：反激式转换器）进行转移，而不是白白消耗能量。因此，发热量受到限制、平衡电流较大、而且平衡时间显著减少。这允许在电池组使用的过程中进行主动平衡，因而能确保从每节单独的电池获取最大的容量。新型IC （比如凌力尔特推出的LTC3300和LT8584）已可在汽车电池组中实现主动电荷平衡。