0 前言 

被認(rèn)為是未來(lái)汽車(chē)的電動(dòng)汽車(chē)是電動(dòng)源、電機(jī)和整車(chē)三大技術(shù)的結(jié)合體,電動(dòng)源是電動(dòng)汽車(chē)的核心部件,目前已經(jīng)形成動(dòng)力鋰離子電池及其專(zhuān)用材料的開(kāi)發(fā)熱潮.做為一種新型的動(dòng)力技術(shù),鋰電池在使用中必須串聯(lián)才能達(dá)到使用電壓的需要,單體性能上的參差不齊并不全是緣于電池的生產(chǎn)技術(shù)問(wèn)題,從涂膜開(kāi)始到成品要經(jīng)過(guò)多道工序,即使每道工序都經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的檢測(cè)程序,使每只電池的電壓、內(nèi)阻、容量一致,使用一段時(shí)間以后,也會(huì)產(chǎn)生差異,使得鋰動(dòng)力電池的使用技術(shù)問(wèn)題迫在眉睫,而且必須盡快解決. 

動(dòng)力電池組的使用壽命受多種因素影響,如果電池組壽命低于單體平均壽命的一半以下,可以推斷都是由于使用技術(shù)不當(dāng)造成的,首要原因當(dāng)推過(guò)充和過(guò)放導(dǎo)致單體電池提前失效.本文結(jié)合鋰動(dòng)力電池特性、電子電源、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)研究動(dòng)力電池組的使用技術(shù),探討動(dòng)力電池組的均衡控制和管理. 

1 動(dòng)力電池主要性能參數(shù) 

1.1 電壓 

開(kāi)路電壓=電動(dòng)勢(shì)+電極過(guò)電位,工作電壓=開(kāi)路電壓+電流在電池內(nèi)部阻抗上產(chǎn)生的電壓降.電動(dòng)勢(shì)由電極和電解質(zhì)材料特性決定,電極的過(guò)電位與材料活性、荷電狀態(tài)和工況有關(guān).金屬鋰標(biāo)準(zhǔn)電極電位-3.05V,3V鋰電池3.3~2.3V,4V鋰4.2~3.7V,5V鋰4.9V~3.0V. 

1.2 內(nèi)阻 

電池在短時(shí)間內(nèi)的穩(wěn)態(tài)模型可以看作為一個(gè)電壓源,其內(nèi)部阻抗等效為電壓源內(nèi)阻,內(nèi)阻大小決定了電池的使用效率.電池內(nèi)阻包括歐姆電阻和極化電阻兩部分,歐姆電阻不隨激勵(lì)信號(hào)頻率變化,又稱(chēng)交流電阻,在同一充放電周期內(nèi),歐姆電阻除溫升影響外變化很小.極化電阻由電池電化學(xué)特性對(duì)外部充放電表現(xiàn)出的抵抗反應(yīng)產(chǎn)生,與電池荷電、充放強(qiáng)度、材料活性都有關(guān).同批電池,內(nèi)阻過(guò)大或過(guò)小者都不正常,內(nèi)阻過(guò)小可能意味材料枝晶生長(zhǎng)和微短路,內(nèi)阻太大又可能是極板老化、活性物質(zhì)喪失、容量衰減,內(nèi)阻變化可以作為電池裂化的充分性參考依據(jù)之一. 

1.3 溫升 

電池溫升定義為電池內(nèi)部溫度與環(huán)境溫度的差值.多數(shù)鋰電池充電時(shí)屬吸熱反應(yīng),放電時(shí)為放熱反應(yīng),兩者都包含內(nèi)阻熱耗.充電初期,極化電阻最小,吸熱反應(yīng)處于主導(dǎo)地位,電池溫升可能出現(xiàn)負(fù)值,充電后期,阻抗增大,釋熱多于吸熱,溫升增加,過(guò)充時(shí),隨不可逆反應(yīng)的出現(xiàn),逸出氣體,內(nèi)壓、溫升升高,直到變形、爆裂. 

1.4 內(nèi)壓 

電池內(nèi)部壓力,由于電池內(nèi)部反應(yīng)逸出氣體導(dǎo)致氣壓增大,氣壓過(guò)大將撐破殼體和發(fā)生爆裂,基于安全考慮,一方面鋰電池都設(shè)計(jì)了單向的防爆閥門(mén),一方面用塑殼制造.析氣反應(yīng)常伴隨著不可逆反應(yīng),也就意味著活性物質(zhì)的損失、電池容量的下降,無(wú)析氣、小溫升充放電是最理想的. 

1.5 電量 

電學(xué)里,電量用Wh表示,是能量單位,一度電等于1kWh,電池常用Ah計(jì)算電量,對(duì)于動(dòng)力電池側(cè)重于功率和能量大小,用Wh更直接一些,因?yàn)殡姵氐碾妷菏亲兓?其全程變化量可達(dá)到極大值的一半左右,用Ah計(jì)算電量不能正確描述電池的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)能力,但Ah作為電池的電量單位自有其歷史和道理,在不引起歧義的地方兩種電量單位都可以使用. 

1.6 荷電 

電池還有多少電量,又稱(chēng)剩余電量,常取其與額定容量或?qū)嶋H容量的比值,稱(chēng)荷電程度.是人們?cè)谑褂弥凶铌P(guān)心的、也是最不易獲得的參數(shù)數(shù)據(jù),人們?cè)噲D通過(guò)測(cè)量?jī)?nèi)阻、電壓電流的變化等推算荷電量,做了許多研究工作,但直到目前,任何公式和算法都不能得到統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的有效支持,指示的荷電程度總是非線性變化. 

1.7 容量 

電池在充足電以后,開(kāi)始放電直到放空電為止,能輸出的最大電量.容量與放電電流大小有關(guān),與充放電截止電壓也有關(guān)系,故容量定義為小時(shí)率容量,動(dòng)力電池常用1小時(shí)率(1C)或2小時(shí)率(0.5C)容量.電池在化成之前材料的活性不能正常發(fā)揮,容量很小,化成過(guò)程開(kāi)始后,電池進(jìn)入其生命期,在整個(gè)生命期里,電池的活化和劣化過(guò)程是一個(gè)問(wèn)題的兩個(gè)方面,初期活化作用處于主導(dǎo)地位,電池容量逐漸上升,以后,活化和劣化作用都不明顯或相當(dāng),后期,劣化作用顯著,容量衰減,規(guī)定容量衰減到一定比例(60%)后,電池壽命終結(jié). 

1.8 功率 

電學(xué)定義直流電源的輸出功率等于輸出電壓與電流的乘積,鋰電池單體電壓高,在相同的輸出電流下,其功率分別是鉛酸、鎳鎘鎳氫的1.8倍和3倍.電動(dòng)汽車(chē)用動(dòng)力電池組的負(fù)載是電機(jī)控制器,電機(jī)控制器根據(jù)車(chē)速變化調(diào)整輸出功率,短時(shí)間來(lái)看,電池組驅(qū)動(dòng)的是恒功率負(fù)載,這個(gè)功率變化的范圍極大,制動(dòng)時(shí)有與加速時(shí)相近的反向逆變功率. 

1.9 效率 

電池的效率指電池的充放電效率或能量輸出效率,本文指后者.對(duì)于電動(dòng)汽車(chē),續(xù)駛里程是最重要指標(biāo)之一,在電池組電量和輸出阻抗一定的前提下,根據(jù)能量守恒定律,電池組輸出的能量轉(zhuǎn)化為兩部分,一部分作為熱耗散失在電阻上,另一部分提供給電機(jī)控制器轉(zhuǎn)化為有效動(dòng)力,兩部分能量的比率取決于電池組輸出阻抗和電機(jī)控制器的等效輸入阻抗之比,電池組的阻抗越小,無(wú)用的熱耗就越小,輸出效率就更大. 

1.10 壽命 

單體電池壽命定義和測(cè)試程序已被人們普遍接受并形成許多標(biāo)準(zhǔn),測(cè)試壽命時(shí),可保證不過(guò)充、過(guò)放,也就不會(huì)提前失效,與單體不同,電池組的壽命測(cè)試目前的做法不科學(xué),在一定程度上限制了動(dòng)力鋰電池的實(shí)用化進(jìn)程.提供者強(qiáng)調(diào)每只電池的電壓不可超越規(guī)定的限值,電池組的壽命應(yīng)該是各單體電池壽命的最小者,其值應(yīng)該與單體平均壽命相差不會(huì)太多,測(cè)試人員模擬電池組使用情況,用對(duì)單體電池相同的方法測(cè)試壽命,電壓限值取單體電壓限值與數(shù)量乘積,實(shí)際限制的是單體平均電壓,組內(nèi)單體電壓有低有高,對(duì)于幾十只、上百只的電池組,電壓、容量、內(nèi)阻的差異性總是客觀存在的,過(guò)充過(guò)放無(wú)法避免,并且一旦發(fā)生相關(guān)電池將很快報(bào)廢,因此就出現(xiàn)專(zhuān)家組測(cè)試的電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池組的壽命還沒(méi)有突破過(guò)百次. 



1.11 安全 

動(dòng)力電池的工作條件苛刻,主要的安全問(wèn)題是電池自身爆炸、燃燒和導(dǎo)致的電火,在電動(dòng)汽車(chē)研發(fā)進(jìn)程中,發(fā)生過(guò)多次起火事件,對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展造成了負(fù)面影響,通過(guò)多種渠道了解,在這些事故中,有電池自燃的,有車(chē)輛被燒毀的,甚至動(dòng)用消防隊(duì)滅火,許多單位顧忌影響而施行保密策略,事發(fā)第一現(xiàn)場(chǎng)很難到場(chǎng),總結(jié)這些不完全的事故信息,初步有以下推斷: 

· 長(zhǎng)期在庫(kù)存的電池未發(fā)生過(guò)自燃和爆炸,運(yùn)輸過(guò)程中也沒(méi)出現(xiàn)自燃的; 

· 電池爆炸發(fā)生于充電后期或已經(jīng)結(jié)束,充電設(shè)備和方法難脫干系; 

· 外部電路短路可以造成強(qiáng)電弧或使導(dǎo)線燃燒,也可以導(dǎo)致自燃,一般的電壓、電流源都有此特性; 

· 用組電壓或電流限制不能避免電池的過(guò)充過(guò)放; 

· 過(guò)充電可能使電池變形、失效、燃燒、甚至爆炸,過(guò)放電(反充電)一次足以使電池報(bào)廢; 

· 一些受試電池通過(guò)了苛刻的用沖鋒槍射擊、擠壓破裂短路、水淋、水泡等安規(guī)測(cè)試. 

總之,電池的正確使用技術(shù)是非常重要的. 

2 動(dòng)力電池組充放電特性 

以單體電池為動(dòng)力源如移動(dòng)電話,電源管理技術(shù)已經(jīng)十分完善,但在電池組中,單體之間的差異總是存在的,以容量為例,其差異性永不會(huì)趨于消失,而是逐步惡化的.組中流過(guò)同樣電流,相對(duì)而言,容量大者總是處于小電流淺充淺放、趨于容量衰減緩慢、壽命延長(zhǎng),而容量小者總是處于大電流過(guò)充過(guò)放、趨于容量衰減加快、壽命縮短,兩者之間性能參數(shù)差異越來(lái)越大,形成正反饋特性,小容量提前失效,組壽命縮短,在下文的充放電特性分析中就必須包含過(guò)充電和過(guò)放電過(guò)程. 

2.1 充電 

目前鋰電池充電主要是限壓限流法,初期恒流(CC)充電,電池接受能力最強(qiáng),主要為吸熱反應(yīng),但溫度過(guò)低時(shí),材料活性降低,可能提前進(jìn)入恒流階段,因此在北方冬天低溫時(shí),充電前把電池預(yù)熱可以改善充電效果.隨著充電過(guò)程不斷進(jìn)行,極化作用加強(qiáng),溫升加劇,伴隨析氣,電極過(guò)電位增高,電壓上升,當(dāng)荷電達(dá)到約70~80%時(shí),電壓達(dá)到最高充電限制電壓,轉(zhuǎn)入恒壓(CV)階段.理論上并不存在客觀的過(guò)充電壓閾值,若理解為析氣、升溫就意味著過(guò)充,則在恒流階段末期總是發(fā)生不同程度的過(guò)充,溫升達(dá)到40~50攝氏度,殼體形變?nèi)菀赘袦y(cè),部分逸出氣體還可以復(fù)合,另一些就作為不可逆反應(yīng)的結(jié)果,損失了容量,這可以看作電流強(qiáng)度超出電池接受能力.在恒壓階段,有稱(chēng)涓流充電,大約花費(fèi)30%的時(shí)間充入10%的電量,電流強(qiáng)度減小,析氣、溫升不再增加,并反方向變化. 

2.2 過(guò)充電 

上述過(guò)程考慮電池組總電壓或平均電壓控制,其實(shí)總有單體電壓較高者,相對(duì)組內(nèi)其它電池已經(jīng)進(jìn)入過(guò)充電階段.過(guò)充電時(shí),若在恒流階段發(fā)生,由于電流強(qiáng)度大,電壓、溫升、內(nèi)壓持續(xù)升高,以4V鋰為例,電壓達(dá)到4.5V時(shí),溫升40度 、塑料殼體變硬,4.6V時(shí)溫升可達(dá)60度、殼體形變明顯并不可恢復(fù),若繼續(xù)過(guò)充,氣閥打開(kāi)、溫升繼續(xù)升高、不可逆反應(yīng)加劇.恒壓階段,電流強(qiáng)度較小,過(guò)充癥狀不如恒流階段顯著.只要溫升、內(nèi)壓過(guò)高,就伴隨副反應(yīng),電池容量就會(huì)減少,而副反應(yīng)具有慣性,發(fā)展到一定程度,可能在充電中也可能在充電結(jié)束后的短時(shí)間里使電池內(nèi)部物質(zhì)燃燒,導(dǎo)致電池報(bào)廢.過(guò)充電加速電池容量衰減、導(dǎo)致電池失效,百害無(wú)一利. 

2.3 放電 

恒流放電時(shí),電壓有一陡然跌落,主要由歐姆電阻造成壓降,這電阻包括連接單體電極的導(dǎo)線電阻和觸點(diǎn)電阻,電壓繼續(xù)下降,經(jīng)過(guò)一段時(shí)間以后,到達(dá)新的電化學(xué)平衡,進(jìn)入放電平臺(tái)期,電壓變化不明顯,放熱反應(yīng)加電阻釋熱使電池溫升較高.放電電壓曲線近似單體放電曲線,持續(xù)放電,電壓曲線進(jìn)入馬尾下降階段,極化阻抗增大,輸出效率降低,熱耗增大,接近終止電壓時(shí)停止放電. 

上述過(guò)程用恒流特性模擬負(fù)載電機(jī),實(shí)際汽車(chē)在行使中,電機(jī)輸出功率的變化很復(fù)雜,電流雙極性變化,即使勻速行使,路面顛簸、微小轉(zhuǎn)向都使輸出功率實(shí)時(shí)變化,在短時(shí)間段里,可以用恒流放電模擬分析,總之大的方向是放電,偶爾有不規(guī)則的零脈沖(無(wú)逆變功能)或負(fù)脈沖(有逆變功能,電池被充電)出現(xiàn). 

2.4 過(guò)放電 

考慮組內(nèi)單體電池,必有相對(duì)的過(guò)放電情況.在放電后期,電壓接近馬尾曲線,組中單體容量正態(tài)分布,電壓分布很復(fù)雜,容量最小的單體電壓跌落得也就最早、最快,若這時(shí)其它電池電壓降低不是很明顯,小容量單體電壓跌落情況被掩蓋,已經(jīng)被過(guò)度放電. 

觀察單體過(guò)放情況,進(jìn)入馬尾曲線以后,若電流持續(xù)較大,電壓迅速降低,并很快反向,這時(shí)電池被反方向充電,或稱(chēng)被動(dòng)放電,活性物質(zhì)結(jié)構(gòu)被破壞,另一種副反應(yīng)很快發(fā)生,過(guò)一段時(shí)間,電池活性材料接近全部喪失,等效為一個(gè)無(wú)源電阻,電壓為負(fù)值,數(shù)值上等于反充電流在等效電阻上產(chǎn)生的壓降,停止放電后,原電池電動(dòng)勢(shì)消失,電壓不能恢復(fù),因此,一次反充電足以使電池報(bào)廢. 

組中單體過(guò)放容易發(fā)生不易控制,電機(jī)控制器的限壓限流辦法都不起有效作用,電池輸出功率的變化產(chǎn)生的歐姆、極化電壓波動(dòng)足以淹沒(méi)單體電壓跌落信號(hào),組電壓監(jiān)視失去意義. 

2.5 經(jīng)濟(jì)速度與續(xù)駛里程 

傳統(tǒng)汽車(chē)以經(jīng)濟(jì)速度行駛耗油最省,用百公里耗油量評(píng)價(jià),經(jīng)濟(jì)速度由發(fā)動(dòng)機(jī)效率、動(dòng)力傳動(dòng)效率和摩擦力決定,電動(dòng)汽車(chē)也有經(jīng)濟(jì)速度,由電池使用效率、電動(dòng)機(jī)和控制器效率、摩擦阻力決定,經(jīng)濟(jì)速度與電池組內(nèi)阻有直接關(guān)系,在一定范圍內(nèi)變化.以經(jīng)濟(jì)速度行駛,電動(dòng)汽車(chē)能達(dá)到最大的續(xù)駛里程.固定整車(chē)和電動(dòng)機(jī),續(xù)駛里程可以考察動(dòng)力電池組的能量供給能力,經(jīng)濟(jì)速度反映了電池組功率提供能力,電動(dòng)汽車(chē)希望動(dòng)力電池組能提供大容量和高功率. 

2.6 加速與爬坡 

電動(dòng)汽車(chē)在加速和爬坡時(shí)輸出功率大,電池組放電電流大,電壓跌落幅度也大,輸出效率下降,歐姆損耗增大,另一方面,電壓下降也會(huì)導(dǎo)致電機(jī)效率降低,工作條件惡劣,可能發(fā)生過(guò)強(qiáng)度放電,即超出電池電流輸出能力,此時(shí)電池組處于過(guò)載使用.避免過(guò)載的措施:使用功率較大的電池組;限電壓、電流、功率或其組合限制行使;平穩(wěn)行使,限制加速度. 

2.7 剎車(chē)制動(dòng)與逆變 

只要加速度為負(fù)值,傳動(dòng)機(jī)構(gòu)就可以帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電,回饋電能可以給電池組充電,將機(jī)械動(dòng)能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能存儲(chǔ)使用,瞬間逆變功率與輸出功率屬同一數(shù)量級(jí),取決于發(fā)電機(jī)逆變效率,加速時(shí)有過(guò)強(qiáng)度放電,逆變時(shí)就有可能存在過(guò)強(qiáng)度充電. 

2.8 先進(jìn)的電池組使用方法 

過(guò)充過(guò)放對(duì)電池的損害都是致命的,不同之處僅在于過(guò)充產(chǎn)生大量氣體、易自燃和爆炸、表象劇烈,過(guò)放外觀變化和緩、但失效速度卻極快,在正常使用中都應(yīng)嚴(yán)格避免出現(xiàn). 

鑒于相同原材料、同批次的單體電池,容量、內(nèi)阻、壽命等性能參數(shù)符合正態(tài)分布并且離散程度有限;鑒于在相同的電流激勵(lì)條件下,單體電池電壓變化過(guò)程的一致性漸進(jìn)逼近其它性能參數(shù)的一致性,其中最重要的參數(shù)是荷電程度;鑒于電池在未曾歷經(jīng)過(guò)過(guò)充、過(guò)放的損害,在其生命期里不容易提前失效,可以推斷,如果在充放電過(guò)程中通過(guò)能量變換的辦法實(shí)施電池組中單體電壓的均衡控制,使單體電壓趨于一致,那么單體的相對(duì)荷電程度也趨于一致,可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)充足電、也同時(shí)放空電,進(jìn)而,電池組的壽命應(yīng)接近于單體電池的平均壽命. 

基于均衡控制,可進(jìn)一步研究先進(jìn)的充電方法.目前的限壓限流方法,無(wú)論在充電速度還是效果上都不夠科學(xué),充電初期,極化效應(yīng)并不激烈,電池的電流接受能力最強(qiáng),充電電流還應(yīng)該加大,恒流后期電池溫升、內(nèi)壓增大,電流已經(jīng)超出電池接受能力,電流應(yīng)該減小,同時(shí),極化作用、趨膚效應(yīng)降低了材料反應(yīng)的活性,可利用反向電流脈沖肖弱這些不利影響. 

3 動(dòng)力電池組的均衡控制和管理 

要實(shí)現(xiàn)單體電壓的均衡控制,均衡器是電池管理系統(tǒng)的核心部件,離開(kāi)均衡器,管理系統(tǒng)即使得到了電池組測(cè)量數(shù)據(jù),也無(wú)所作為,也就無(wú)所謂管理.隨著電動(dòng)汽車(chē)技術(shù)的不斷發(fā)展,電池組均衡裝置的需求已經(jīng)迫在眉睫,已有許多研究,國(guó)外已有報(bào)道,如德國(guó)Kaiserse Lautern大學(xué),日本本田公司等,國(guó)內(nèi)技術(shù)尚未成熟. 

3.1 斷流與分流 

均衡器按能量回路處理的方式分?jǐn)嗔骱头至?斷流指在監(jiān)控單體電壓變化的基礎(chǔ)上,在滿足一定條件時(shí)把單體電池的充電或負(fù)載回路斷開(kāi),通過(guò)機(jī)械觸點(diǎn)或電力電子部件組成開(kāi)關(guān)矩陣,動(dòng)態(tài)改變電池組內(nèi)單體之間的連接結(jié)構(gòu),可能的斷流部件有機(jī)械、繼電器、半導(dǎo)體.電動(dòng)汽車(chē)用電池組功率很大,瞬時(shí)電流可達(dá)數(shù)百安培而且雙極性變化,在考慮可行性、性價(jià)比、實(shí)用性、可靠性等諸多因素,斷流的實(shí)施難度極大,不適合在電動(dòng)汽車(chē)上使用. 

分流并不斷開(kāi)電池的工作回路,而是給每只電池各增加一個(gè)旁路裝置,就象電池伴侶,兩者合起來(lái)的特性趨于電池組內(nèi)平均素質(zhì)的單體電池特性. 

3.2 能耗與回饋 

能耗型指給各單體電池提供并聯(lián)電流支路,將電壓過(guò)高的單體電池通過(guò)分流轉(zhuǎn)移電能達(dá)到均衡目的,實(shí)現(xiàn)電流支路的裝置可以是可控電阻,或經(jīng)能量變換器帶動(dòng)空調(diào)、風(fēng)機(jī)等耗電設(shè)備,其實(shí)質(zhì)是通過(guò)能量消耗的辦法限制單體電池出現(xiàn)過(guò)高或過(guò)低的端電壓,只適合在靜態(tài)均衡中使用,其高溫升等特點(diǎn)降低了系統(tǒng)可靠性,消耗能源,在動(dòng)態(tài)均衡中不可能使用. 

與能耗不同,回饋通過(guò)能量變換器將單體之間的偏差能量饋送回電池組或組中某些單體.理論上,當(dāng)忽略轉(zhuǎn)換效率時(shí),回饋不消耗能量,可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)均衡.回饋型具有更高的研究?jī)r(jià)值和使用價(jià)值,最有可能達(dá)到實(shí)用化設(shè)計(jì). 

3.3 能量變換器 

電池電壓均衡利用能量變換裝置實(shí)現(xiàn),依據(jù)高頻開(kāi)關(guān)電源(SMPS)的原理和技術(shù)設(shè)計(jì),基本的電源電路包括非隔離式的Buck、Boost、Buck Boost、Cuk、Sepic、Zeta,隔離式的有Forward、Flyback、Push Pull、Half Bridge、Full Bridge、Iso-Cuk等.充電時(shí)小容量電池充入較少能量,分流電路吸收電能,放電時(shí)分流電路補(bǔ)充能量,能量變換器應(yīng)該實(shí)現(xiàn)雙向變換.原則上各種電源電路經(jīng)改進(jìn)設(shè)計(jì)都可以實(shí)現(xiàn)雙向,最簡(jiǎn)單的方案是用兩個(gè)電源,輸入與輸出交叉并聯(lián),兩個(gè)電路分別控制.由于受成本、體積與重量、長(zhǎng)期工作的可靠性等因素的影響,雙向單變換器比單向雙變換器更有優(yōu)勢(shì),是發(fā)展方向. 

3.4 靜態(tài)與動(dòng)態(tài) 

按均衡功能特點(diǎn)分充電、放電和動(dòng)態(tài)均衡.充電均衡在充電過(guò)程中后期,單體電壓達(dá)到或超過(guò)截止電壓時(shí),均衡電路開(kāi)始工作,減小單體電流,以期限制單體電壓不高于充電截止電壓.與充電均衡類(lèi)似,放電均衡在電池組輸出功率時(shí),通過(guò)補(bǔ)充電能限制單體電壓不低于預(yù)設(shè)的放電終止電壓.充電截止電壓和放電終止電壓的設(shè)置與溫度有關(guān)聯(lián).與充電和放電均衡不同,動(dòng)態(tài)均衡不論在充電態(tài)、放電態(tài),還是浮置狀態(tài),都可以通過(guò)能量轉(zhuǎn)換的方法實(shí)現(xiàn)組中單體電壓的平衡,實(shí)時(shí)保持相近的荷電程度. 

3.7 獨(dú)立與級(jí)聯(lián) 

一種均衡思路讓每?jī)芍秽徑膯误w實(shí)現(xiàn)均衡,進(jìn)而達(dá)到各單體之間的均衡.圖3列出了3種電路形式,雙向Buck Boost變換器利用電感傳能,雙向Cuk和開(kāi)關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)利用電容傳能,存在實(shí)現(xiàn)問(wèn)題,設(shè)想一種情況,組中高壓?jiǎn)误w與低壓?jiǎn)误w之間間隔數(shù)只單體,從高壓?jiǎn)误w導(dǎo)出能量給低壓,需要多只級(jí)聯(lián)的變換器同時(shí)工作,到達(dá)目的單體的能量轉(zhuǎn)換效率極低,極端情況與能耗型變換器接近. 



3.8 效率與安全 

動(dòng)態(tài)均衡尤其在使用放電過(guò)程中,變換器的熱耗取自電池組能量,由于單體電壓較低,變換器效率是一個(gè)設(shè)計(jì)難點(diǎn),須采納和借鑒當(dāng)代電源電路的最新設(shè)計(jì)技術(shù),如同步整流、軟開(kāi)關(guān)等. 

參數(shù)超限報(bào)警、熱保護(hù)等常規(guī)檢測(cè)功能是必不可少的,車(chē)內(nèi)環(huán)境長(zhǎng)期處于顛簸和振動(dòng),配線工藝、禁錮結(jié)構(gòu)都須認(rèn)真設(shè)計(jì),導(dǎo)線外皮磨損破裂短路,可能導(dǎo)致與電池性能無(wú)關(guān)的火災(zāi)隱患,就變換器而言,還需要考慮浪涌抑制、過(guò)壓過(guò)流保護(hù)、電磁兼容等問(wèn)題,可靠性是均衡器的的另一個(gè)設(shè)計(jì)難點(diǎn). 

3.9 控制與管理 

均衡控制方案不同,管理系統(tǒng)復(fù)雜程度也不一樣,被動(dòng)型均衡由充電器調(diào)整輸出電壓和電流,最簡(jiǎn)單,均衡能力也最差.國(guó)外產(chǎn)品有采用主輔模塊的分布式管理結(jié)構(gòu),如德國(guó)Kaiserse Lautern大學(xué),輔模塊相當(dāng)于獨(dú)立式均衡器,主模塊完成管理系統(tǒng)的功能,兩者通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線聯(lián)接.有采用分級(jí)管理,如Honda公司的電池組管理系統(tǒng), 上級(jí)模塊管理下級(jí)模塊,下級(jí)模塊管理12只電池.有充電均衡管理系統(tǒng),如芬蘭AC Electric Vehicles公司的鉛酸電池組均衡模塊. 

在控制策略方面,要求把電池電化學(xué)特性、電源技術(shù)、控制技術(shù)相結(jié)合,電動(dòng)汽車(chē)在行使中隨時(shí)會(huì)出現(xiàn)加速、滑坡、堵轉(zhuǎn)、剎車(chē)等情況,電池組輸出的電流和功率呈雙極性變化,各種阻抗特性和電機(jī)控制器的調(diào)制特性都給電池組電壓變化帶來(lái)復(fù)雜性,管理決策不能僅依據(jù)簡(jiǎn)單公式計(jì)算,應(yīng)避免往復(fù)均衡,造成電池能源的浪費(fèi). 

3.10 均衡小結(jié) 

· 斷流后其它電池可能過(guò)載輸出; 

· 能耗浪費(fèi)電能,溫升降低可靠性; 

· 靜態(tài)均衡得不償失,充電均衡加劇小容量過(guò)放電,放電均衡加劇小容量過(guò)充電; 

· 單向均衡不適于動(dòng)態(tài)均衡; 

· 大功率、環(huán)境差盡可能分散均衡,低成本、小功率也可以集中均衡; 

· 獨(dú)立均衡效果好,級(jí)連均衡效率低; 

· 同步整流、軟開(kāi)關(guān)利于提高能量變換效率; 

· 均衡算法根據(jù)電池組模型智能控制,節(jié)約并且安全. 

4 研制介紹 

系統(tǒng)由一個(gè)主控單元和若干個(gè)均衡模塊組成,兩者通過(guò)信號(hào)總線和功率總線聯(lián)接.主控單元包括電源變換器和嵌入式單片機(jī),電源變換器從電池組提取電能提供輔助電源,單片機(jī)通過(guò)信號(hào)總線從均衡器采集數(shù)據(jù)和控制均衡器輸出,可同時(shí)掛接200個(gè)均衡模塊,在LCD上顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),通過(guò)接口可與中央控制單元進(jìn)行實(shí)時(shí)通信,數(shù)據(jù)包括組電壓、電流、環(huán)境溫度、容量等電池組信息,和電壓、電流、容量、溫度等單體數(shù)據(jù),可以手動(dòng)禁止均衡對(duì)比觀測(cè)電池組自然工作情況. 

均衡器由雙向高頻開(kāi)關(guān)電源電路完成,目標(biāo)電池取100Ah4V鋰離子動(dòng)力電池,均衡器單體端電壓范圍2.5~5V,最大功率50W,數(shù)據(jù)量化分辨率10bitADC,每個(gè)均衡器對(duì)應(yīng)一只單體電池,平面尺寸按照目標(biāo)電池截面尺寸設(shè)計(jì),可測(cè)量單體電壓、電流、溫升,推算荷電、內(nèi)阻等,認(rèn)真考慮了熱保護(hù)和故障安全設(shè)計(jì).信號(hào)總線采用RS485工業(yè)標(biāo)準(zhǔn),與功率總線間接共地,總線不含高壓,按最少芯數(shù)設(shè)計(jì),柔性聯(lián)接,抗振動(dòng)、顛簸. 

目標(biāo)電池按兩組進(jìn)行,72只電池組安裝在一臺(tái)電動(dòng)轎車(chē)上,用于考核可靠性;16只電池組在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行計(jì)量和算法測(cè)試,電動(dòng)轎車(chē)的輸出功率0-60kW,逆變功率0-50kW.當(dāng)電池組為提高輸出功率有并聯(lián)支路時(shí),支路電壓自然均衡,每個(gè)電池組可以只使用一套均衡系統(tǒng); 

5 結(jié)語(yǔ) 

均衡系統(tǒng)功率能力有限,期望均衡器代替單體更多功能不合理,單體互差應(yīng)在一定限度內(nèi); 電池組開(kāi)始使用均衡系統(tǒng)的時(shí)間越早效果越好,不能修復(fù)以前的劣化,只能使以后的差異性不再繼續(xù)惡化,長(zhǎng)時(shí)間來(lái)看可能趨于好轉(zhuǎn); 新舊電池搭配成組總是不合適的,電特性在較長(zhǎng)時(shí)間不能平衡; 所有二次電池電壓都有特定的安全范圍,均衡控制原理也適用于其它二次電池組,包括超容電容器組; 基于電池模型和均衡控制可以實(shí)現(xiàn)電池組快速、析氣少、溫升低的智能充電; 目前,動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)規(guī)模還未真正形成,產(chǎn)品質(zhì)量特性不能很穩(wěn)定,電池組使用技術(shù)阻礙了產(chǎn)業(yè)發(fā)展,均衡系統(tǒng)可加速動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程,動(dòng)力電池和電動(dòng)汽車(chē)技術(shù)的發(fā)展又將為均衡系統(tǒng)帶來(lái)更大的市場(chǎng)需求,均衡系統(tǒng)的發(fā)展方向是低成本、高功率密度、高效率和高可靠性. 

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