為什麼電動汽車電池不能精確顯示剩餘電量?

Energy 2019-12-26 408


知乎上面的技術文章

有淺顯易懂的也有複雜的

裡面也有自吹自擂自家產品的內容

可是一些基本的概念還不錯

電動車的電量估算真的不簡單

不過越開越能掌握自己的車子和開車習慣的耗電量

簡單的說就是經驗值累積之後 就會知道自己到底還可以開多遠

 

文| Steven Wang

亞德諾半導體技術(上海)有限公司技術市場經理

隨著電動汽車的快速發展,消費者開始高度關注電動汽車的續航里程。甚至有些用戶產生了里程焦慮,生怕出現類似手機電池耗盡突然關機的現象。今天讓我們來詳細聊聊汽車電池電量精確測量的難點和應對方法吧。

針對問題提到的為什麼電動車動力電池顯示不“精確”呢?

首先電動汽車動力電池的電量測量要比手機困難得多,很難估計“精確”。

但是隨著電池測量技術的提升,這不再是不可能完成的任務。而是電動汽車開發的重中之重。

電動汽車電池電量測量難點

先來說說困難在哪?電動汽車電池電量準確測量涉及的因素包括:

  1. 電動汽車動力電池材料多樣
↑電動汽車動力電池材料多樣

精度是電動汽車電池電量測量的一個重要特性。而電動汽車動力電池材料多樣。包括磷酸鐵鋰LiFePO4電池(紅色曲線),鈷酸鋰電池LiCoO2電池(藍色曲線)和新化學材料電池如三元素NMC電池(黑色曲線)。它們對電池電量測量提出了不同的要求。對於磷酸鐵鋰LiFePO4電池,其放電曲線平緩,電芯電壓測量精度至關重要。為了防止過度充電和放電,電池單元應保持在滿容量的20%到90%之間。在85kWh的電池中,可用於正常行駛的容量僅為60.9 kWh。如果測量誤差為5%,為了繼續安全地進行電池運行,必須將電池容量保持在25%至85%之間。總可用容量已從70%減少到了60%。

↑電動汽車動力電池安全可用電量範圍

 

 

2. 電動汽車的使用環境惡劣程度極高

電動汽車北可能去到漠河經歷零下40度的低溫,西可能去到火焰山經歷零上50度的炙烤。同時潮濕、機械應力和長達15年以上的使用壽命都對動力電池提出了和手機電池迥然不同的環境耐受度要求。

 

3. 電動汽車動力電池是電池組,結構複雜

↑電動汽車電池組結構

電動汽車動力電池是由最基礎的電芯Cell組成電池模塊Module,再由模塊Module組成電池組Pack。而手機為單體電芯。電動汽車電池由幾節電池串聯組成。一個典型的電池組(具有96節串聯電池)以4.2 V充電時會產生超過400 V的總電壓。電池組中的電池節數越多,所達到的電壓就越高。所有電池的充電和放電電流都相同,但是必須對每節電池上的電壓進行監控。為了容納高功率汽車系統所需的大量電池,通常將多節電池分成幾個模塊,並分置於車輛的整個可用空間內。典型模塊擁有10到24節電池,可以採用不同配置進行裝配以適合多個車輛平台。模塊化設計可作為大型電池組的基礎。它允許將電池組分置於更大的區域,從而更有效地利用空間。

↑電池組的水桶效應

同時動力電池由於由多個電芯組成,因此最弱的電芯就限制了整體電池組的性能。也就是大家熟知的水桶效應,整體的電量受制於最弱電芯的電量。過度充電或者過度放電都會損壞相應電芯。


電池測量技術的提升助力電動汽車電池電量的精準測量

說完了電動汽車電池電量的測量難點,我們說說解決方案。實際上隨著電池測量技術的快速提升,它正在助力電動汽車電池電量的精準測量。這也是目前電動汽車開發的重中之重。其中一項核心技術就是電池管理系統BMS。

↑電池管理系統BMS應用框圖

電池管理系統BMS應用框圖顯示了一個典型的具有96節電池的電池組,分為8個模塊,每個模塊12個電池單元。在本示例中,電池監控器IC為可測量12節電池的LTC6811。該IC具有0 V至5 V的電池測量範圍,適合大多數電池化學應用。可將多個器件串聯,以便同時監測很長的高壓電池組。該器件包括每節電池的被動平衡。數據在隔離柵兩邊進行交換並由系統控制器編譯,該控制器負責計算SOC、控制電池平衡、檢查SOH,並使整個系統保持在安全限制內。

電池管理系統:完整信號鏈
 

 

  1. 高電芯測量精度拓展可用電量範圍
↑電芯電壓測量精度與電池可用電量範圍

BMS技術作為電池組背後的“大腦”,管理著功率輸出、充放電,並在車輛運行期間提供精確測量。更高的電芯電壓測量精度可拓展電池可用電量範圍。如果將精度提高到1%(對於磷酸鐵鋰LiFePO4電池,1 mV的測量誤差相當於1%的SOC誤差),那麼電池可以在滿容量的21%到89%之間運行,增加了8%。使用相同的電池和精度更高的BMS,可以增加每次充電的汽車行駛里程。

以亞德諾半導體ADI為例,BMS電池管理系統電池主監控IC產品已迭代至第四代。能夠對12個甚至更多的電芯通道電壓和溫度進行精度優於1.2 mV的高精度監控。

 

2. 精準齊納參考源應對惡劣環境挑戰

↑BMS IC 內部框圖

BMS電路設計人員通常根據數據手冊中的規格來估算電池測量電路的精度。其實現實應用中其他效應通常會在測量誤差中占主導地位。影響測量精度的因素包括:

  • PCB裝配應力
  • 濕度
  • 溫度漂移
  • 長期漂移

完善的技術必須考慮所有這些因素,才能提供非常出色的性能。IC的測量精度主要受基準電壓Voltage Reference的限制。基準電壓對機械應力很敏感。PCB焊接期間的熱循環會產生矽應力。濕度是產生矽應力的另一個原因,因為封裝會吸收水分。矽應力會隨著時間的推移而鬆弛,從而導致基準電壓的長期漂移。

↑精度隨PCB裝配應力(左上)濕度(右上)溫度漂移(左下)長期漂移(右下)影響

LTC68xx系列使用了實驗室級的齊納二極管基準電壓源,這是ADI經過30多年不斷完善的技術。埋入式齊納二極管將結放置在矽表面下方,遠離污染物和氧化層的影響。其結果是齊納二極管具有出色的長期穩定性、低噪聲和相對精確的初始容差。在整個汽車級溫度範圍-40°C至+125°C內,漂移都小於1 mV。隨著時間的推移,齊納二極管基準電壓源具有更出色的穩定性,至少比帶隙基準電壓源提高5倍。類似的濕度和PCB裝配應力測試表明,埋入式齊納二極管的性能比帶隙基準電壓源更勝一籌。

3. 電芯均衡破除水桶效應

↑帶洩放電阻的被動電池平衡器

BMS還提供重要的保護措施,以防電池受到損害。電池組由多組獨立的電池單元組成,這些電池單元無縫合作為汽車提供最大的電力輸出。如果電池單元之間失去均衡,它們會受到應力影響導致充電過早終止,進而會縮短電池的總體壽命。

被動平衡會讓電池組每個單元的容量近似與最弱單元相同。它在充電週期中使用相對較低的電流,從高SoC 電池消耗少量能量,使得所有電池單元充電至其最大SoC。這是通過與每個電池單元並聯的開關和洩放電阻來實現的。高SoC 電池放電(功率消耗在電阻中),因此充電可以繼續,直至所有電池單元都充滿電。

↑動力電池可用電量和浪費電量的關係

以上,電池測量技術的提升,通過拓展電量可用範圍、精準齊納參考源應對惡劣環境挑戰和電芯均衡破除水桶效應,來助力電動汽車電池電量的精準測量。就相當於最大程度的減少了啤酒頂部的泡沫,留下貨真價實可以喝的美酒。未來的電動汽車電池技術一定會更精準更智能。從而消除用戶的里程焦慮,讓消費者放心暢遊。

本文由Steven Wang撰寫,知乎號

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