鉅大LARGE | 點擊量:1114次 | 2021年04月28日
鋰電池管理應用中精確測量和溫度穩定的重要性
鋰離子電池由于擁有能量密度高、電壓高、自放電率低,以及無記憶效應等優勢,因而逐漸成為使用充電電池的便攜應用產品的常用技術。
電池管理的常見難題在選擇鋰離子電池時,必須對之予以正確管理,以實現安全工作,并獲得每循環周期最高容量和最長壽命,而通常采用的方法就是加入電池管理單元(BMU)。要實現安全工作,BMU就必須能夠確保電池單元在電壓、溫度和電流方面經常處于其生產規格之內。這意味著在設計電池管理系統時,必須能夠考慮到最壞條件。以充電端電壓為例,標準筆記本電池的建議單元電壓為4.25V以下。為保持單元電壓不超過上限,一般都會建議先取得BMU中的電壓測量標準偏差,并用充電端電壓減去4倍的標準偏差值。例如,若BMU測得該電壓為4.25V,而標準偏差為12.5mV,則立即指示在4.2V處停止充電。然而,這就與獲得電池單元最大容量的目的直接沖突。因為充電電壓越高,容量也就越大。同樣,當電池超出推薦的充電截止電壓(EOCV)和放電截止電壓(EODV)時,電池的磨損最大,所以要延長電池壽命,就要盡量防止過高的充電電壓和過低的放電電壓。
精確測量的重要性精確的電壓測量精度能夠含義電池所需的EOCV和EODV安全裕度(safetymargin)。測量越精確,保持在推薦限值之內所需的安全裕度越小。于是,電壓測量越精確,充電和放電就越能夠接近推薦的EOCV和EODV值,而無須犧牲安全性,也不需冒著電池容量過早衰減的風險。所以,電荷流的測量精度對保證電荷計算精度來說也是十分關鍵的。
必須考慮到溫度偏移在固定溫度下獲得良好的測量精度并不困難,若在裝配電池組時已對BMU進行了校準便更容易。但實際情況中,電池組通常都會經受各種溫度變化,所以溫度漂移是區分真正高性能BMU和普通BMU的關鍵參數。在溫度變化時實現高電壓測量精度的關鍵參數是ADC增益漂移(gaindrift)和基準電壓漂移(voltagereferencedrift)。關于4200mV的電壓,電壓測量值偏移量一般小于3μV,在實際設計中,這是可忽略不計的。要精確測量電荷流(chargeflow),還要考慮到眾多其他參數,以盡可能地減小感測電阻上的電壓降。校準后的ADC偏移量、ADC零點漂移、ADC增益漂移、基準電壓漂移和時基漂移,都對精度有著重大影響。關于小電流來說,與偏移量有關的參數最重要;而在電流較大的情況下,增益誤差、基準電壓和時基則開始成為重要影響因素。
溫度偏移可以通過對若干個溫度點進行校準來做出一定程度上補償,不過這種方法成本高昂,通常不為大多數電池組生產商采納。因此,一個好的BMU必須具有最小的溫度偏移,而且電池組設計人員必須考慮到BMU的最壞變化情況,以確保設計的安全性。
充電溫度:0~45℃
-放電溫度:-40~+55℃
-40℃最大放電倍率:1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
電流測量:電量計精度的基礎要實現良好的鋰離子電池電量計,最有效方法是精確跟蹤電池內外的電荷流。在一定程度上,可利用適當的電壓測量來補償因開路電壓(OCV)和充電狀態(SoC)之間因恒定關系引起的電荷流誤差。一些最先進的鋰離子電池具有非常平坦的電壓特性,這使得利用OCV測量來校正電流測量誤差更加困難。而只要電壓測量有一點小小誤差,就可能導致SoC計算的重大偏差。所以,只有確保出色的電流測量和精確的時基才能獲得最佳精度。
圖1采用標準偏移校準方法進行校準之后的典型偏移量