迎来“CASE”时代的汽车趋势和技术课题(2) ～电池管理系统～

加速电动汽车(EV)实际应用的锂离子电池

电动汽车(EV)的开发目标是实现与汽油动力车和柴油动力车相媲美的驾驶性能和巡航里程。在各种技术开发促进电动汽车发展的进程中，体积能量密度和重量能量密度都比传统的镍氢电池高数倍以上的锂离子电池的出现可以说大大加速了电动汽车的实际应用。
锂离子电池一般是指用锂过渡金属复合氧化物作正极，用碳材料作负极的电池，但也有用锂基氧化物作负极而不是正极的电池，各种材料的组合已进入实际应用阶段。

锂离子电池具有优异的体积能量密度和重量能量密度，但为了达到与汽油动力车和柴油动力车相同的巡航里程，传统上必须配备一个相当大的电池单元。但是现在，不仅电池的性能得到了提高，驱动马达的功率半导体的效率等也得到了提高，甚至小型电动汽车的巡航里程也超过400km(WLTC模式)。

安全的充放电控制中不可或缺的电池管理系统(BMS)

电池管理系统(BMS)在提高安装在电动汽车上的电池性能方面起着重要作用。该系统由电子电路和软件构成，主要具备以下两个功能：

过电压、过电流、异常发热等的检测及切断控制；

充电控制和作为剩余巡航里程大致标准的电池剩余电量(充电状态：SOC＝State of Charge)的推算。

锂离子电池，充电超过完全充电电压或放电超过终止电压都有可能导致异常发热等，因此准确理解SOC对于安全充放电管理也是必不可少的。
此外，BMS还具有以下功能作为选项：

电池平衡控制，通过调整电池单体的充电状态使得电池组的容量最大化。

其中，(2)是BMS的基本功能之一，这里对此予以说明。

推算电池组充电状态(SOC)的方法

在汽油动力车和柴油动力车上，可通过燃料箱中的浮子（float）高度来从物理上把握燃料水平，而在电动汽车上，无法从外部了解多少能量存储在电池组中，因而必须使用专用的电路和算法来进行“推算”。
了解SOC大致上有两种方法：
(a)测量电池单体电压的方法；
(b)累计电池组输入输出电流的方法。

(a)测量电池单体电压的方法

首先说明从电池电压了解SOC的方法(图1)。
用AD转换器来读取构成电池组的各个电池单体两端的电压，赋予SOC的推算逻辑。此外，电池单体电压会随着温度而变动，所以还要测量电池组的温度，并赋予SOC推算逻辑。
但是，在成本和安装方面准备与电池单体数量一样多的AD转换器会有较多的浪费，所以通常将多路复用器置于AD转换器前段，在一定周期内一边扫描一边进行测量。
测量电池单体电压的AD转换器不怎么要求高速性，但它要求数mV的精度，因此似乎经常使用比较容易确保10位以上ENOB(有效位数)的ΔΣ型。

图1.测量电池单体电压的BMS的概念图

图2. 锂离子电池电芯电压与SOC关系示意图

作为一个示例，假设完全充电时的电压为3.4V，终止电压为2.7V，但这要取决于正极和负极中使用的材料(图2)。
换句话说，假设3.4V时为100%，2.7V时为0%，只要根据电池单体电压计算SOC就可以了。但是，要以1%的单位计算SOC，必须以0.7÷100＝0.007V(7mV)的高精度测量电池单体电压。实际上，电池单体电压具有温度系数，在高温时升高，在低温时降低。特别是在行驶和充电(包括再生制动)过程中，温度会随流过的电流而变动，所以电压也会有微妙的变动，不稳定。虽然可以根据电池单体和电池组的温度在一定程度上进行校正，但在不稳定的状况下很难保持较高的测量精度。找元器件现货上唯样商城
由于这些制约，在测量电池单体电压求取SOC时，似乎经常设定相应的裕度(譬如，假设测量误差为±10%，将实际的10％～90％作为0％～100％予以标示等)。

(b)累计电池组输入输出电流的方法

(b)是一种对流入和流出电池单体的电流进行累计，并根据将会残留在电池单体中的电荷(能量)求取SOC的方法(图3)。
这种方法也被称为库仑计数法。譬如，如果电池组的容量是1000Ahr，并且测量出相当于10.0Ahr的电荷流过时，则可求得SOC减少了1.00%。相反，在充入的电荷相当于10.0Ahr时，可求得SOC增加了1.00%。
利用A/D转换器将μΩ级的检测电阻(汇流排等)的两端电压予以转换并累计，而为了抑制误差的累积，有效位数必须相应地多，且必须在一定程度上提高采样率以便捕获变动。

图3.对流入和流出电池组的电流进行累计，求取SOC的库仑计数器的模式图

但是，前面描述的(a)和(b)的方法只是脱离实际的空论，实际上必须在考虑电池单体的经时老化(SOH：State of Health)等因素的同时求取SOC。安装因汽车厂家而不同，详情不得而知，但SOC是在使用图1和图3所示的手法测得的电压和电流等信息的同时，使用卡尔曼滤波器等数学手法进行推算的。
此外，作为BMS的基本作用而列出的“(1)过电压、过电流、异常发热等的检测和切断控制”基本上是通过扩展测量电池单体电压和温度的电路、及测量电池组流入和流出电流的电路来实现的。

通过平衡控制使得电池性能最大化

锂离子电池在反复充放电过程中会逐渐老化。如果构成电池组的所有电池单体都同样老化，则不会有多大的问题，但实际情况是会出现偏差。
在电池组内，电池单体如图1和图3所示是串联连接的，但在模式上如图4所示考虑并联连接电池单体的情形。

在电池单体的特性或性能因经年变化等原因而出现偏差时，需要在剩余电量(SOC)最小的电池单体达到放电下限的时点停止放电(图4左下)。换句话说，无法使用其他电池单体中红色箭头之间部分的能量。

图4.电池单体不平衡的模式图

此外，充电中，需要在剩余电量最多的电池单体到达充电上限电压时停止充电(图4右下)。无法对其他电池单体中红色箭头之间的部分进行充电。
也即，有效容量将由于某些电池单体的速率出现偏差而减少。

用来抑制这种偏差的就是电池平衡。其手法包括无源平衡和有源平衡，无源平衡让剩余电量多的电池单体与电阻负荷连接令其放电，并将各电池单体的SOC调整到放电下限，有源平衡将能量从高剩余电量多的电池单体分配给剩余电量少的电池单体。电路当然是后者变得复杂。

继续关注不断进化的BMS

BMS的一部分在模式上如图1和图3所示，但实际上它更为复杂，需要很多组件。为了实现小型化，集成了这些功能的BMS IC和电路零部件已经被各种电子零部件厂家推向了市场。
此外，包括SOC的推算在内，每天都在不断开发新的控制方式。本次列出的传统思维方式最终可能都会被归类为“古典手法”。
就电池本身而言，新型正极材料和负极材料的研发正在进行中，能量密度有望进一步提高。
今后我们仍将继续关注BMS的普及和进化。