大功率電池組由一長串串接電池組成。電池監視器 IC 直接連接至每顆電池，負責準確地測量每顆電池的電壓。這不是一件簡單的工作，因為各個電池位於一個非常高電壓電池串的不同點上，而電池串很容易遭受驚人的電尖峰和電磁干擾 (EMI)。電池管理系統 (BMS) 整合了電池電壓與電流、溫度和工作情況記錄，以連續獲知每顆電池的狀況。雖然這是一項棘手的難題，但利用準確的監視和控制仍可實現電池組行車里程、可靠性和安全性的最大化。
電池測量準確度的重要性
HEV 或 EV 中電池的預計使用期限是 10~15 年，而當電池失去其原始容量的 80% 時即被認為處於其壽命末期。透過限制工作電荷狀態 (不允許電池滿充電或完全放電)，可最大限度地增加電池的使用壽命和可靠性。典型的電池組工作於一個受限的範圍內，例如：20% SOC 至 80% SOC，其中 SOC 表示“電荷狀態”。這些 SOC 限值可根據電池的老化和工作情況 (比如：高溫環境) 進行調節。由於採用了此類限值，故電池組不會以滿容量地使用。例如：以 20% SOC 至 80% SOC 來運作電池組將把可用 SOC 限制在這 60% 範圍。BMS 所面臨的挑戰是使每顆電池盡可能接近限值運作，而不要超過限值。鋰電池在其工作範圍內表現出平坦的放電曲線，使得上述挑戰的難度進一步加大。因此，在整個工作範圍內電池電壓的變化非常之小，作為 SOC 計算的一部分，電池監視器必須進行非常準確的測量。
為了闡明電池測量準確度的重要性，我們來看一下簡化的鋰電池放電曲線 (示於圖 1)。該曲線在整個工作區內具有一個固定的 5mV/% (SOC) 斜率。倘若電池電壓測量準確度欠佳，那麼工作在 20% 至 80% SOC 範圍之內且具有相似放電特性的電池組將面臨嚴重的不利後果。
圖1：簡化的電池放電曲線
如圖 2 所示，倘若電池監視器具有一個 ±10mV 的電池電壓測量誤差，則 3.75V 的電池電壓測量值實際上有可能對應的真實電池電壓介於 3.74V 和 3.76V 之間。這對應的實際 SOC 範圍為 76% 至 80%。由於存在該測量誤差，因此必須利用一個“保護帶” 對工作範圍加以限制，從而確保不超過工作限值。在本例中，必須把工作範圍限制在 22% 至 78% 的測量範圍 (而不是 20% 至 80%)。假如期望電池組保持相同的範圍，那麼具有該準確度的 BMS 將需要額外的電池容量以補償保護帶限制。假設 60% 的可用 SOC，則電池容量必須加大 7% (注 1) 以補償 ±10mV 的電池測量誤差。對於一輛使用價格 3000 美元的 5kWh 電池組 (即每 kWh 電能的成本為 600 美元) 的 HEV 來說，這將額外增加成本214 美元。
圖2：針對 ±10mV 電池測量誤差的保護帶要求
可以擴展該論點以顯示針對各種不同電池測量誤差的“保護帶損失”及其與 SOC 範圍的相關性。如圖 3 所示，測量誤差僅為 1mV 的系統所需的額外電池容量不到 1%，甚至當電池組被限制在一個 25% 至 75% 的 SOC 範圍 (即 50% 的可用 SOC) 時也不例外。
圖3：保護帶與電池測量誤差的相關性
儘管大多數鋰電池在最初購得時通常匹配良好，但隨著時間的推移及充電迴圈的延續，一長串電池的 SOC 將出現偏差。這是由於電池特性和局部工作條件的小幅變化引起的，這會導致小的自放電和負載電流差異。為避免使任何一顆電池在其 SOC 範圍之外運作，當 SOC 出現偏差時，電荷最不平衡的那幾顆電池將使電池組的總工作範圍慢慢地限制。為解決這一問題，幾乎所有的電池管理系統都包括了電池電荷平衡功能電路。
電池電荷平衡功能電路
被動平衡
採用被動平衡時，具較高 SOC 的電池將放電以實現所有電池 SOC 的歸一化。這是一種低成本的簡單平衡法。然而，其具有很大的局限性：被動平衡僅透過移除電荷來發生作用。其所耗費的能量與電池電荷不平衡的幅度之間存在函數關係，並產生大量的熱量。這意味著必須保持相對較小的平衡電流，通常為電池容量的 5% 或以下。因此，被動平衡主要局限於離線操作，而且其需要大量的時間來完成。當 SOC 的變化量增大時，被動平衡的有效性逐步下降，而且隨著時間的推移，SOC 的變化將由於電池容量偏差的出現而增加。
電池會隨著其老化進程而損失容量，各顆電池的老化過程會由於諸多因素的影響而存在差異，例如：電池組溫度梯度及電池製造中的波動等。當容量存在差異時，電池將更容易變至不平衡的狀態。即使只允許一顆電池在 SOC 限制範圍以外運作，也將由於導致電池過早老化而使該問題愈發嚴重。當電池容量出現偏差時，完全依賴被動平衡會變得越來越困難。為避免受困於被動平衡的局限性，新型電池管理系統開始逐漸採取主動平衡的方法。
主動平衡
採用主動平衡時，電荷在電池之間移動 (而不像採用被動平衡時那樣被浪費)。主動平衡在充電和放電週期裡皆可運作。當對電池組充電時，主動平衡器可將電荷從較弱的電池移動至較強的電池。而當對電池組進行放電時，則可把電荷從較強的電池移走以補償較弱的電池。電荷透過某種高效電路 (比如：反激式轉換器) 進行轉移，而不是白白消耗能量。因此，發熱量受到限制、平衡電流較大、而且平衡時間顯著減少。這允許在電池組使用的過程中進行主動平衡，因而能確保從每顆單獨的電池獲取最大的容量。新型 IC (比如凌力爾特的 LTC3300 和 LT8584) 已可在汽車電池組中實現主動電荷平衡。
理想的情況是：主動平衡應在電池達到 SOC 範圍的末端時啟用 (注 2)。為闡明此點，我們假設一個含有多顆具均勻容量的電池以及一顆較低容量“弱”電池的電池組。如果所有的電池都被充電至 80% SOC 並隨後放電，則那顆弱電池的 SOC 將慢慢地與其餘的各顆電池出現偏差。BMS 必須確定一個合適的點，以使平衡器能夠在其他電池繼續放電的同時將那顆弱電池保持在運行狀態。圖 4 示出了放電週期中的 SOC 偏差情況，列舉了兩個例子：一個例子是一顆電池的容量與電池組其餘電池相差 2%，而在另一個例子中則是相差 8%。BMS 電池測量誤差設定了一個用於確定電池之間相對狀態的限值。當 SOC 測量誤差為 ±2% (±10mV) 時，在電池測量電路可靠地檢測到這一情況之前電池彼此之間的電荷失衡最大有可能達到 4%。如果不具備遠遠優於 ±10mV 的電池測量準確度，那麼要在這條放電曲線的某個精確定義的點上實現一個主動平衡器幾乎是不可能的。
圖4：電池容量差異的檢測依賴於測量準確度
測量準確度的意義並不局限於主動平衡。由該例可知，4% 的 SOC 差異將轉化為一個超過 6.6% 的容量變化 (注 3)。對於容量下降 20% 之後即達到其壽命末期的汽車電池而言，這就是重大的不可恢復容量。更重要的是，電池容量的變化是反映其健康狀況的一項關鍵指標，而未察覺的容量變化則有可能是一個嚴重的問題。
當考慮這個簡單例子以外的複雜狀況時，電池測量準確度的重要性就變得更加清楚了。例如：大多數電池組都存在連續的容量變化，並具有更加細微和難以檢測的 SOC 偏差。而且，電池在開始放電時不太可能都處於 80% SOC，因而或許會進一步掩蓋容量的變化。另外，應注意到 SOC 計算需要多個參數，這一點也是很重要的。這些其他參數的測量誤差並未減低對於準確電池電壓測量的要求。相反，犧牲電池測量準確度將很可能擴大電池壽命的分佈。
電池監視器技術重點
電池監視器內部的參考電壓是測量誤差的主要決定因素。參考電壓中的任何變化都將直接導致電池測量準確度的下降。目前這一代電池監視器依靠的是頻帶隙參考電壓。理論上講，頻隙基準非常適合於整合至複雜的積體電路 (比如：電池組監視器) 之中，因為它們只需極少的晶片空間、低功率和低裕量電壓。然而，頻隙基準對於機械應力、IR 回流焊和濕度很敏感，因而會導致熱遲滯和長期漂移。對於那些需要在 15 年以上的時間裡保持非常高準確度的高準確度儀錶，有一種更好的選擇。最新的電池監視器 (例如：凌力爾特的 LTC6804) 內建了一個掩埋式齊納參考電壓。掩埋式齊納參考電壓可在整個時間和工作條件下提供傑出的長期穩定性和準確度。運用這種方法，LTC6804 能夠保證一個低於 1.2mV 的電池電壓總測量誤差。
電池監視器的準確度並非限制在測量本身的準確度。必需對汽車環境中電池測量加以考慮，這裡存在著大量由逆變器、執行器、開關和繼電器等所引起的電雜訊和瞬變。此類雜訊嵌入在電池訊號之內，而在重視準確度的場合中必須消除該雜訊。透過在每顆電池上佈設一個 RC 濾波器可實現適度的降噪；而由於成本和電路板空間的原因，在每顆電池上使用一個較高階的濾波器電路是不切實際的。透過對來自每次訊號測量的多個樣本進行處理，可以消除適量的雜訊；鑒於電池數量眾多，故需將巨量資料傳送至一個中央處理器，因而使得這種方法同樣不具備實用性。一種實用而有效的解決方案是消除電池監視器內部的雜訊。例如：凌力爾特的 LTC6804 採用了具內建三階雜訊濾波功能電路的增量-累加 (ΔΣ) 型 ADC。這一點與寬頻 SAR ADC 是截然不同的，後者的快速採集對於被雜訊損壞的訊號其數值有限 (注 4)。為了最佳化速度和降低雜訊性能，LTC6804 的 ΔΣ ADC 能採用不同的拐角頻率 (範圍從 27kHz 至 26Hz) 運作。對於汽車環境而言，採用 ΔΣ ADC 的方法是相當有效的。
隨著大功率電池系統不斷地向主流產品邁進，對於電池監視電子產品的需求也將日益迫切。汽車只會提供嚴酷惡劣的使用環境，同時要求盡可能高的性能與可靠性。為了實現期望的行駛里程、可靠性和安全性，便必需周密地考慮造成性能損失的每一種可能忽視的源頭。如欲獲取所有的可用電能，則需要運用諸如電池電荷主動平衡等尖端技術。此外，還需要實施盡可能準確和穩定的電池電壓測量。
注 1: 電池額外容量等於 (0.6/0.56) – 1
注 2: 為獲得最大效率，應在需要的時候採用主動平衡。完全保持在 SOC 限制範圍內的系統所需的主動平衡將遠少於接近限值運作的系統。
注 3: 對於一個 22% 至 78% 的 SOC 範圍 (保護帶範圍)，0.066 = (0.04/0.60)。
注 4: SAR 轉換器可實現簡單的晶片內平均處理，但平均處理具有不良的濾波器特性。
