為什么電動(dòng)汽車電池不能精確顯示剩余電量？

很多消費(fèi)者有疑慮為什么電動(dòng)車動(dòng)力電池顯示不“精確”呢？

首先電動(dòng)汽車動(dòng)力電池的電量測(cè)量要比手機(jī)困難得多，很難估計(jì)“精確”。

但是隨著電池測(cè)量技術(shù)的提升，這不再是不可能完成的任務(wù)。而是電動(dòng)汽車開發(fā)的重中之重。

電動(dòng)汽車電池電量測(cè)量難點(diǎn)

先來(lái)說(shuō)說(shuō)困難在哪？電動(dòng)汽車電池電量準(zhǔn)確測(cè)量涉及的因素包括：

1. 電動(dòng)汽車動(dòng)力電池材料多樣

↑電動(dòng)汽車動(dòng)力電池材料多樣

精度是電動(dòng)汽車電池電量測(cè)量的一個(gè)重要特性。而電動(dòng)汽車動(dòng)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(lán)色曲線）和新化學(xué)材料電池如三元素NMC電池（黑色曲線）。它們對(duì)電池電量測(cè)量提出了不同的要求。對(duì)于磷酸鐵鋰LiFePO4電池，其放電曲線平緩，電芯電壓測(cè)量精度至關(guān)重要。為了防止過(guò)度充電和放電，電池單元應(yīng)保持在滿容量的20%到90%之間。在85kWh的電池中，可用于正常行駛的容量?jī)H為60 kWh。如果測(cè)量誤差為5%，為了繼續(xù)安全地進(jìn)行電池運(yùn)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(dòng)汽車動(dòng)力電池安全可用電量范圍

2.電動(dòng)汽車的使用環(huán)境惡劣程度極高

電動(dòng)汽車北可能去到漠河經(jīng)歷零下40度的低溫，西可能去到火焰山經(jīng)歷零上50度的炙烤。同時(shí)潮濕、機(jī)械應(yīng)力和長(zhǎng)達(dá)15年以上的使用壽命都對(duì)動(dòng)力電池提出了和手機(jī)電池迥然不同的環(huán)境耐受度要求。

3.電動(dòng)汽車動(dòng)力電池是電池組，結(jié)構(gòu)復(fù)雜

電動(dòng)汽車動(dòng)力電池是由最基礎(chǔ)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(jī)為單體電芯。電動(dòng)汽車電池由幾節(jié)電池串聯(lián)組成。一個(gè)典型的電池組（具有96節(jié)串聯(lián)電池）以4.2 V充電時(shí)會(huì)產(chǎn)生超過(guò)400 V的總電壓。電池組中的電池節(jié)數(shù)越多，所達(dá)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(duì)每節(jié)電池上的電壓進(jìn)行監(jiān)控。為了容納高功率汽車系統(tǒng)所需的大量電池，通常將多節(jié)電池分成幾個(gè)模塊，并分置于車輛的整個(gè)可用空間內(nèi)。典型模塊擁有10到24節(jié)電池，可以采用不同配置進(jìn)行裝配以適合多個(gè)車輛平臺(tái)。模塊化設(shè)計(jì)可作為大型電池組的基礎(chǔ)。它允許將電池組分置于更大的區(qū)域，從而更有效地利用空間。

同時(shí)動(dòng)力電池由于由多個(gè)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(yīng)，整體的電量受制于最弱電芯的電量。過(guò)度充電或者過(guò)度放電都會(huì)損壞相應(yīng)電芯。

電池測(cè)量技術(shù)的提升助力電動(dòng)汽車電池電量的精準(zhǔn)測(cè)量

在汽車電動(dòng)化的浪潮中，全球領(lǐng)先的高性能模擬芯片大廠ADI基于長(zhǎng)期積累的汽車電氣化廣泛經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)提供更低排放、更高效率、更高可靠性和安全性的解決方案，讓電池管理、動(dòng)力總成和信息娛樂(lè)等系統(tǒng)保持高性能的同時(shí)變得更小、更輕、更可靠，推動(dòng)更環(huán)保高效的未來(lái)汽車早日落地。鋰電池動(dòng)力系統(tǒng)需要具備以下功能特性：監(jiān)測(cè)功能；在苛刻的環(huán)境下能夠保持良好的性能；提供可靠、安全的電量管理。

ADI從2007年發(fā)布第一款鉛酸電池管理IC，就在這個(gè)領(lǐng)域占據(jù)了全球領(lǐng)導(dǎo)地位，同時(shí)也跟隨電動(dòng)汽車的趨勢(shì)向鋰電池管理系統(tǒng)大步邁進(jìn)。ADI鋰電池監(jiān)控IC產(chǎn)品目前已經(jīng)發(fā)展到第五代，安全性、精度和性能處于業(yè)界領(lǐng)先地位，例如在關(guān)鍵的監(jiān)測(cè)功能上ADI借助獨(dú)特的掩埋式齊納基準(zhǔn)電壓源和噪聲濾波模擬與數(shù)字轉(zhuǎn)換器，可以實(shí)現(xiàn)極高的電壓測(cè)量精度，對(duì)于提升續(xù)航里程這個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)非常重要。

針對(duì)電動(dòng)汽車電池電量的測(cè)量難點(diǎn)，我們說(shuō)說(shuō)解決方案。實(shí)際上隨著電池測(cè)量技術(shù)的快速提升，它正在助力電動(dòng)汽車電池電量的精準(zhǔn)測(cè)量。這也是目前電動(dòng)汽車開發(fā)的重中之重。其中一項(xiàng)核心技術(shù)就是電池管理系統(tǒng)BMS。

↑電池管理系統(tǒng)BMS應(yīng)用框圖

電池管理系統(tǒng)BMS應(yīng)用框圖顯示了一個(gè)典型的具有 96節(jié)電池的電池組，分為8個(gè)模塊，每個(gè)模塊12個(gè)電池單元。在本示例中，電池監(jiān)控器IC為可測(cè)量12節(jié)電池的LTC6811。該IC具有0 V至5 V的電池測(cè)量范圍，適合大多數(shù)電池化學(xué)應(yīng)用。可將多個(gè)器件串聯(lián)，以便同時(shí)監(jiān)測(cè)很長(zhǎng)的高壓電池組。該器件包括每節(jié)電池的被動(dòng)平衡。數(shù)據(jù)在隔離柵兩邊進(jìn)行交換并由系統(tǒng)控制器編譯，該控制器負(fù)責(zé)計(jì)算SOC、控制電池平衡、檢查SOH，并使整個(gè)系統(tǒng)保持在安全限制內(nèi)。

1. 高電芯測(cè)量精度拓展可用電量范圍

↑電芯電壓測(cè)量精度與電池可用電量范圍

BMS技術(shù)作為電池組背后的“大腦”，管理著功率輸出、充放電，并在車輛運(yùn)行期間提供精確測(cè)量。更高的電芯電壓測(cè)量精度可拓展電池可用電量范圍。如果將精度提高到1%（對(duì)于磷酸鐵鋰LiFePO4電池，1 mV的測(cè)量誤差相當(dāng)于1%的SOC誤差），那么電池可以在滿容量的21%到89%之間運(yùn)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ADI為例，BMS電池管理系統(tǒng)電池主監(jiān)控IC產(chǎn)品已迭代至第五代，能夠?qū)?2個(gè)甚至更多的電芯通道電壓和溫度進(jìn)行精度優(yōu)于1.2 mV的高精度監(jiān)控。

2. 精準(zhǔn)齊納參考源應(yīng)對(duì)惡劣環(huán)境挑戰(zhàn)

↑BMS IC 內(nèi)部框圖

BMS電路設(shè)計(jì)人員通常根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)中的規(guī)格來(lái)估算電池測(cè)量電路的精度。其實(shí)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中其他效應(yīng)通常會(huì)在測(cè)量誤差中占主導(dǎo)地位。影響測(cè)量精度的因素包括：

l PCB裝配應(yīng)力

l 濕度

l 溫度漂移

l 長(zhǎng)期漂移

完善的技術(shù)必須考慮所有這些因素，才能提供非常出色的性能。IC的測(cè)量精度主要受基準(zhǔn)電壓Voltage Reference的限制?；鶞?zhǔn)電壓對(duì)機(jī)械應(yīng)力很敏感。PCB焊接期間的熱循環(huán)會(huì)產(chǎn)生硅應(yīng)力。濕度是產(chǎn)生硅應(yīng)力的另一個(gè)原因，因?yàn)榉庋b會(huì)吸收水分。硅應(yīng)力會(huì)隨著時(shí)間的推移而松弛，從而導(dǎo)致基準(zhǔn)電壓的長(zhǎng)期漂移。

↑精度隨PCB裝配應(yīng)力（左上）濕度（右上）溫度漂移（左下）長(zhǎng)期漂移（右下）影響

LTC68xx系列使用了實(shí)驗(yàn)室級(jí)的齊納二極管基準(zhǔn)電壓源，這是ADI經(jīng)過(guò)30多年不斷完善的技術(shù)。埋入式齊納二極管將結(jié)放置在硅表面下方，遠(yuǎn)離污染物和氧化層的影響。其結(jié)果是齊納二極管具有出色的長(zhǎng)期穩(wěn)定性、低噪聲和相對(duì)精確的初始容差。在整個(gè)汽車級(jí)溫度范圍-40°C至+125°C內(nèi)，漂移都小于1 mV。隨著時(shí)間的推移，齊納二極管基準(zhǔn)電壓源具有更出色的穩(wěn)定性，至少比帶隙基準(zhǔn)電壓源提高5倍。類似的濕度和PCB裝配應(yīng)力測(cè)試表明，埋入式齊納二極管的性能比帶隙基準(zhǔn)電壓源更勝一籌。

3.電芯均衡破除水桶效應(yīng)

↑帶泄放電阻的被動(dòng)電池平衡器

BMS還提供重要的保護(hù)措施，以防電池受到損害。電池組由多組獨(dú)立的電池單元組成，這些電池單元無(wú)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(huì)受到應(yīng)力影響導(dǎo)致充電過(guò)早終止，進(jìn)而會(huì)縮短電池的總體壽命。

被動(dòng)平衡會(huì)讓電池組每個(gè)單元的容量近似與最弱單元相同。它在充電周期中使用相對(duì)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(guò)與每個(gè)電池單元并聯(lián)的開關(guān)和泄放電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)的。高 SoC 電池放電 (功率消耗在電阻中)，因此充電可以繼續(xù)，直至所有電池單元都充滿電。

以上，電池測(cè)量技術(shù)的提升，通過(guò)拓展電量可用范圍、精準(zhǔn)齊納參考源應(yīng)對(duì)惡劣環(huán)境挑戰(zhàn)和電芯均衡破除水桶效應(yīng)，來(lái)助力電動(dòng)汽車電池電量的精準(zhǔn)測(cè)量。就相當(dāng)于最大程度的減少了啤酒頂部的泡沫，留下貨真價(jià)實(shí)可以喝的美酒。未來(lái)的電動(dòng)汽車電池技術(shù)一定會(huì)更精準(zhǔn)更智能。從而消除用戶的里程焦慮，讓消費(fèi)者放心暢游。

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