yulzhu

电子技术应用专栏作家——芝能汽车。紧跟技术创新,助力行业发展。

电池管理之单体均衡1

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经过了三年的储备和学习,我总算对电池管理有了一些相对深入的看法和思考,在这里也把我的一些考量和笔记整理出来。谈到电池均衡,一般都谈起能够延长电池寿命的好处,这当然是正确的,不过还是需要把这个问题往实际的地方去探索和完善。

1.为什么需要电池均衡?

简单而言,一个串联的电池包,不管你怎么去筛选,总是会出现不均衡的现象。这样在实际使用过程中,每个串联的输出容量是不一样的。


图《Cell Balancing Techniques using the example of Li-ion battery system for the opel Ampera》

而电池,不仅有过放电和过充电的限制,而且在不同温度和不同SOC下,输入和输出的功率也存在限制。也就是说,单个电池的限制,就会影响到整个电池。

注意:这里不等于单个超限,就等于整个不安全,而是那个电池会受到损害,进行出现持久性的问题。


图 摘自《VOLTEC Battery System for Electric Vehicle with Extended Range》

当然,最重要的是,串联在一起的电池包也遵循着马太效应,由于其负荷是一致的,越弱(自放电大、容量低、越热)的那个电池永远承受着越大的压力(Stress),那么在一个电池包内,那个电池也就老化的越快。

2.影响电池均衡的因素有哪些?

产生不均衡的因素,在论文1《Cell Balancing Algorithm Verification through a Simulation Model for Lithium Ion Energy Storage Systems》中提到的参数框图:


图 汉化自论文1

这里的十三个影响因素被分为了五组:

1.电池包内各个单体电池之间的个体差异性(从出厂那天就具有的)

1.1 单体容量差异

1.2 单体内阻差异

1.3 单体自放电差异

以上这三个因素,主要是由于单体在制造过程中的差异导致的。越好的制造商,能够制造出差异较小很均匀的电池,但是这几个参数还是存在一定的分布特性。

图 摘自论文1

1.4 工作时候电流差异:如上图所示的分布。

一般测量电路(V,T)&OV/UV电路的供电,都需要直接从电池组上取电;一般可以从6~12节上取,在取电的过程之中,这个工作电流就存在了一定的差异,导致了不同部分之间,存在一定的差异了。

图 摘自Renesas《Who's in Charge -Solutions for HEV/EV Battery Cell Management》

1.5 休眠时候电流差异

这个时候的电路差异,主要是集中在单体的输入端和均衡通路里面,如下图所示。

图 摘自某Appilcation Note

最坏的情况下,是自放电大的电池泄漏电流大,如图所示:

图5 摘自论文1

2.电池包内随着时间变化(电池包的老化)

2.1 单体容量差异

2.2 单体内阻差异

2.3 单体自放电差异

这几个差异,在整包的下降中尤为明显:

此图摘自《Statistical Method Tools to Analyze Ageing Effects on Li-Ion Battery Performances》,类似的测试有很多

3.客户使用

3.1 充电时间

3.2 放电时间

图 摘自论文《VOLTEC Battery System for Electric Vehicle with Extended Range》

由于均衡的时间一般相对较长,放在什么时候做均衡是个好的问题,一般对于插入式的NEV来说,有三种状态:Park、Charging和Discharge,这个时间决定了均衡的目标时间。

4.外部环境

4.1 不同温度下的自放电

4.2 不同SOC下的自放电

5.系统相互影响

BMS的工作状况,这个因素和BMS的工作状态有关系。

3.我们可以怎么样做?

当然接下来我们需要选择均衡的方法,主要包括硬件拓扑和均衡算法两部分,在汽车行业应用中,我们还有可靠性、成本和安全等几方面的限制。

此图出自《A Review of Passive and Active Battery Balancing based on MATLAB/Simulink 》

上述的许多方面,我们可以一一介绍,不过在汽车上面用,就如同《Cell Balancing Techniques using the example of Li-ion battery system for the opel Ampera》中分析的那样,因为本身电池就需要做界定。把钱和技术放在均衡电路&算法上,而不是加强电池质量的控制,这种选择对于想要维持10年以上的应用并保证持续稳定的性能而言,这是不可能的。




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