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2020-01-03
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汽车工程师
随着电动汽车的快速发展，消费者开始高度关注电动汽车的续航里程。甚至有些用户产生了里程焦虑，生怕出现类似手机电池耗尽突然关机的现象。今天让我们来详细聊聊汽车电池电量精确测量的难点和应对方法吧。
很多消费者有疑虑为什么电动车动力电池显示不“精确”呢？
首先电动汽车动力电池的电量测量要比手机困难得多，很难估计“精确”。
但是随着电池测量技术的提升，这不再是不可能完成的任务。而是电动汽车开发的重中之重。
电动汽车电池电量测量难点
先来说说困难在哪？电动汽车电池电量准确测量涉及的因素包括：
1. 电动汽车动力电池材料多样
↑电动汽车动力电池材料多样
精度是电动汽车电池电量测量的一个重要特性。而电动汽车动力电池材料多样。包括磷酸铁锂LiFePO4电池（红色曲线），钴酸锂电池LiCoO2电池（蓝色曲线）和新化学材料电池如三元素NMC电池（黑色曲线）。它们对电池电量测量提出了不同的要求。对于磷酸铁锂LiFePO4电池，其放电曲线平缓，电芯电压测量精度至关重要。为了防止过度充电和放电，电池单元应保持在满容量的20%到90%之间。在85kWh的电池中，可用于正常行驶的容量仅为60 kWh。如果测量误差为5%，为了继续安全地进行电池运行，必须将电池容量保持在25%至85%之间。总可用容量已从70%减少到了60%。
↑电动汽车动力电池安全可用电量范围
2.电动汽车的使用环境恶劣程度极高
电动汽车北可能去到漠河经历零下40度的低温，西可能去到火焰山经历零上50度的炙烤。同时潮湿、机械应力和长达15年以上的使用寿命都对动力电池提出了和手机电池迥然不同的环境耐受度要求。
3.电动汽车动力电池是电池组，结构复杂
↑电动汽车电池组
电动汽车动力电池是由最基础的电芯Cell组成电池模块Module，再由模块Module组成电池组Pack。而手机为单体电芯。电动汽车电池由几节电池串联组成。一个典型的电池组（具有96节串联电池）以4.2 V充电时会产生超过400 V的总电压。电池组中的电池节数越多，所达到的电压就越高。
所有电池的充电和放电电流都相同，但是必须对每节电池上的电压进行监控。为了容纳高功率汽车系统所需的大量电池，通常将多节电池分成几个模块，并分置于车辆的整个可用空间内。典型模块拥有10到24节电池，可以采用不同配置进行装配以适合多个车辆平台。模块化设计可作为大型电池组的基础。它允许将电池组分置于更大的区域，从而更有效地利用空间。
↑电池组的水桶效应
同时动力电池由于由多个电芯组成，因此最弱的电芯就限制了整体电池组的性能。也就是大家熟知的水桶效应，整体的电量受制于最弱电芯的电量。过度充电或者过度放电都会损坏相应电芯。
电池测量技术的提升助力电动汽车电池电量的精准测量
在汽车电动化的浪潮中，全球领先的高性能模拟芯片大厂ADI基于长期积累的汽车电气化广泛经验，通过提供更低排放、更高效率、更高可靠性和安全性的解决方案，让电池管理、动力总成和信息娱乐等系统保持高性能的同时变得更小、更轻、更可靠，推动更环保高效的未来汽车早日落地。锂电池动力系统需要具备以下功能特性：监测功能；在苛刻的环境下能够保持良好的性能；提供可靠、安全的电量管理。
ADI从2007年发布第一款铅酸电池管理IC，就在这个领域占据了全球领导地位，同时也跟随电动汽车的趋势向锂电池管理系统大步迈进。ADI锂电池监控IC产品目前已经发展到第五代，安全性、精度和性能处于业界领先地位，例如在关键的监测功能上ADI借助独特的掩埋式齐纳基准电压源和噪声滤波模拟与数字转换器，可以实现极高的电压测量精度，对于提升续航里程这个关键指标非常重要。
针对电动汽车电池电量的测量难点，我们说说解决方案。实际上随着电池测量技术的快速提升，它正在助力电动汽车电池电量的精准测量。这也是目前电动汽车开发的重中之重。其中一项核心技术就是电池管理系统BMS。
↑电池管理系统BMS应用框图
电池管理系统BMS应用框图显示了一个典型的具有 96节电池的电池组，分为8个模块，每个模块12个电池单元。在本示例中，电池监控器IC为可测量12节电池的LTC6811。该IC具有0 V至5 V的电池测量范围，适合大多数电池化学应用。可将多个器件串联，以便同时监测很长的高压电池组。该器件包括每节电池的被动平衡。数据在隔离栅两边进行交换并由系统控制器编译，该控制器负责计算SOC、控制电池平衡、检查SOH，并使整个系统保持在安全限制内。
1. 高电芯测量精度拓展可用电量范围
↑电芯电压测量精度与电池可用电量范围
BMS技术作为电池组背后的“大脑”，管理着功率输出、充放电，并在车辆运行期间提供精确测量。更高的电芯电压测量精度可拓展电池可用电量范围。如果将精度提高到1%（对于磷酸铁锂LiFePO4电池，1 mV的测量误差相当于1%的SOC误差），那么电池可以在满容量的21%到89%之间运行，增加了8%。使用相同的电池和精度更高的BMS，可以增加每次充电的汽车行驶里程。
以ADI为例，BMS电池管理系统电池主监控IC产品已迭代至第五代，能够对12个甚至更多的电芯通道电压和温度进行精度优于1.2 mV的高精度监控。
2. 精准齐纳参考源应对恶劣环境挑战
↑BMS IC 内部框图
BMS电路设计人员通常根据数据手册中的规格来估算电池测量电路的精度。其实现实应用中其他效应通常会在测量误差中占主导地位。影响测量精度的因素包括：
l PCB装配应力
l 湿度
l 温度漂移
l 长期漂移
完善的技术必须考虑所有这些因素，才能提供非常出色的性能。IC的测量精度主要受基准电压Voltage Reference的限制。基准电压对机械应力很敏感。PCB焊接期间的热循环会产生硅应力。湿度是产生硅应力的另一个原因，因为封装会吸收水分。硅应力会随着时间的推移而松弛，从而导致基准电压的长期漂移。
↑精度随PCB装配应力（左上）湿度（右上）温度漂移（左下）长期漂移（右下）影响
LTC68xx系列使用了实验室级的齐纳二极管基准电压源，这是ADI经过30多年不断完善的技术。埋入式齐纳二极管将结放置在硅表面下方，远离污染物和氧化层的影响。其结果是齐纳二极管具有出色的长期稳定性、低噪声和相对精确的初始容差。在整个汽车级温度范围-40°C至+125°C内，漂移都小于1 mV。随着时间的推移，齐纳二极管基准电压源具有更出色的稳定性，至少比带隙基准电压源提高5倍。类似的湿度和PCB装配应力测试表明，埋入式齐纳二极管的性能比带隙基准电压源更胜一筹。
3.电芯均衡破除水桶效应
↑带泄放电阻的被动电池平衡器
BMS还提供重要的保护措施，以防电池受到损害。电池组由多组独立的电池单元组成，这些电池单元无缝合作为汽车提供最大的电力输出。如果电池单元之间失去均衡，它们会受到应力影响导致充电过早终止，进而会缩短电池的总体寿命。
被动平衡会让电池组每个单元的容量近似与最弱单元相同。它在充电周期中使用相对较低的电流，从高 SoC 电池消耗少量能量，使得所有电池单元充电至其最大 SoC。这是通过与每个电池单元并联的开关和泄放电阻来实现的。高 SoC 电池放电 (功率消耗在电阻中)，因此充电可以继续，直至所有电池单元都充满电。
↑动力电池可用电量和浪费电量的关系
以上，电池测量技术的提升，通过拓展电量可用范围、精准齐纳参考源应对恶劣环境挑战和电芯均衡破除水桶效应，来助力电动汽车电池电量的精准测量。就相当于最大程度的减少了啤酒顶部的泡沫，留下货真价实可以喝的美酒。未来的电动汽车电池技术一定会更精准更智能。从而消除用户的里程焦虑，让消费者放心畅游。
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