专题

论电池均衡技术之均衡能力与均衡效率

作者: 文/周宝林 周全 来源:《动力电池》杂志11月刊 时间:2019-12-06

[摘要]一致性问题是电池组最普遍的问题,电池均衡是解决一致性问题的最有效方案,其均衡能力和均衡效率不仅体现均衡速度的快慢,更是衡量控制热失控能力与保证电池组高效运行和安全运行的关键。

关键词:电池均衡,热失控,均衡能力,双向同步整流


电池组的容量取决于组内最差单元电池的放电容量,这是一个不争的事实,已被广泛共识。研究和应用证实,电池组的一致性问题是影响电池组放电容量的最主要因素。


1、一致性问题及电池均衡


单体电池耐用、寿命长,而成组使用后的寿命却非常短,并且易发生热失控的问题,一直是电池界和电池管理界绕不开的话题和心病,围绕的重点主要是如何解决一致性的难题。在电池界,重点是研究和攻关如何提高单体电池出厂时的一致性,希望从源头上解决一致性的问题。


但现实却是残酷的,各种应用表明,提高出厂时的一致性的确可以抑制和延迟一致性问题发生的时间,但却无法避免,所以就催生了一个新的市场应用——电池梯次利用。事实证明,电池梯次利用的确可以延长电池的生命周期和剩余价值,在一致性问题无法根除之前,梯次利用不失为一种过渡方案,仍具有一定的推广价值。


在电池管理界,公认的解决方案是使用电池均衡技术,通过电池均衡技术来解决电池组的一致性问题,然而电池均衡技术,特别是高效的电池均衡技术,研发难度非常大,突破困难,特别是高性价比的设计,超出了众多研发人员的预期,看似容易解决,实际上却非常困难,不少研发机构都因为研发难题过多、难度过大,无法攻克而放弃研发,前功尽弃。


电池组均衡技术能解决多种问题,最基本、最重要的职能,一是预防“差”电池的过充电和过放电,这一功能一旦得到高效、匹配发挥,很多与过充电和过放电的相关联问题就都迎刃而解了,例如稳定容量、热失控等;二是实现电池组充、放电容量的最大化。受一致性问题的影响,电池组的蓄放电容量取决于容量最小的电池单元,具有典型的“木桶原理”特征。只要均衡问题高效解决了,电池组的放电容量快速衰减问题也就解决了。


2放电倍率对容量的影响


锂电池的放电容量与放电倍率密切相关,典型的锂电池放电倍率曲线如图1所示,通过这个曲线,我们可以解读出如下重要信息:一是电池的放电容量与放电倍率密切关联,放电倍率越大,放电容量越小,要想获得最大的放电容量,需要尽可能低减小放电倍率;二是要想获得相同的放电时间,不同容量的电池应具有相同的放电倍率,这一点,对于存在一致性差异的电池组尤为重要。由此可见,放电倍率决定了电池的实际放电容量。


图1 锂电池放电倍率与容量对应关系曲线


3均衡能力


电池均衡是通过调节均衡电流来调节不同容量电池的实时电压的,均衡电流的自适应能力就是均衡能力,它反映的是均衡电流对电压差的反应和电流控制能力,单位是安培/毫伏,也可以表示为单位电压差下的均衡电流,这个值越大,表明均衡能力越强,抑制电压差扩大和防控热失控的能力越强,对电池组的适应性更好。


反之,这个值越小,表明均衡能力越弱,抑制电压差扩大和防控热失控的能力越差,对电池组的适应性差。均衡能力不仅体现在充电期间、也体现在放电期间和静止期间(又称恢复期),理想状况下的均衡电流与相邻电池间的相对电压差呈近似线性关系,即I=K*ΔU,其中,K是均衡能力系数,对于一个设计、调试完成的电池均衡器,这个值接近于一个常数,K值越大,表示均衡能力越强,ΔU表示相对电压差,通常以mv来表示,受均衡功率最大值和效率的限制,ΔU有一个最大安全值,确保最差电池的电压不能超过极值,即不能超过电池的充电限制电压和放电截止电压,超过最大值后,这个公式不再适用。


电池均衡通常是贯穿于电池组的整个运行过程中,因此均衡能力包括充电均衡能力、放电均衡能力和静态均衡能力。下面分别论述。


3.1 充电均衡能力


充电期间的热失控发生机理告诉我们,控制热失控必须控制单元电池的充电电压和充电电流,这里所述的电压是指单元电池的实时电压,电池均衡技术的功能和任务就是通过对电压和电流的调节实现的。


只有当分流电流满足分流要求时才能有效控制低容量电池的电压和发热量,这就对分流电流提出了一个很高的要求,电池组中每个单元电池的绝对电压和相对电压差与个单元实际容量分布密切关联,并且始终是处于动态变化中的。


当电压一致性差异较小时,较小的分流电流即可满足需要,当电压一致性差异增大时,则需要较大的分流电流才能满足低容量电池控制电压的需要,从这一需求来看,均衡能力的大小将起到至关重要的作用。


以32串单体200Ah的磷酸铁锂电池组为例,假设电池组内有若干单元发生衰减,最低容量电池的实际容量只有设计容量的90%,即180Ah,以0.1C电流进行充电,充电电流高达20A,对于被动均衡而言,最大200-300mA的分流电流相对于20A的充电电流,几乎起不到明显的分流作用。


最差电池的过充电风险和热失控风险非常大,而对于通常2-3A充电均衡电流的主动均衡充电设计基本满足需要;而对于具有实时均衡功能的转移式电池均衡技术而然,最大均衡电流则需要达到4。5A方可满足电池组安全运行的需要。


从几种主流均衡均衡设计支持的均衡电流来看,对于这类大容量、大电流、一致性差异较大的电池组,均衡能力直接决定了电池组能否安全运行。同样是本电池组,如果最差电池的容量降低至原设计容量的80%,均衡电流较大的的充电均衡也处于超负荷状态,而转移式电池均衡设计的均衡电流则需要高达8.5A左右的均衡电流。


对均衡器设计,特别是均衡能力和均衡效率的设计提出了更高的要求。均衡效率主要体现在均衡速度和均衡损耗两个方面,均衡速度取决于均衡能力,均衡损耗事关电能的转换效率,关键在于系统设计,功率器件的热损耗越低越好。


3.2 放电均衡能力


电池组蓄电能力的大小主要取决于一致性健康状况。也就是取决于电池组内最差电池的容量。最差电池的容量大小就代表了该电池组的实际容量,如果最差电池的容量衰减非常严重,那么就意味着电池组的实际容量非常糟糕,其它电池的容量即使全部正常也无济于事,不起任何作用。


放电均衡就是要把其它电池的容量充分利用起来,让其它“好”电池多放电,弥补最差电池放电能力的不足,从而实现让电池组尽可能多地把有效电量释放出来,最理想的效果是放电容量接近于所有电池的平均容量,而要实现这个目标,放电均衡能力将起到至关重要的因素。


仍以上述电池组为例,由于被动均衡和主动式充电均衡不支持放电均衡,放电均衡能力为零,因此这样的电池组即使配置了这两类的电池均衡器,放电期间也不起任何作用,此时最差电池的放电倍率是正常容量电池的1.1倍,始终处于加速衰减状态,并且衰减速度是最快的;只有转移式电池均衡器的介入才会降低“差”电池的放电衰减速度。


同样对均衡能力和均衡效率又更高的要求,在前例电池组最大容量相差10%、0.1C放电的情况下,需要的均衡电流约为4.5A,均衡效率应不低于90%,否则难以满足放电均衡的运行要求。


3.3 静态均衡能力


电池组在完成快速充电并断开充电器后,各单元电池的电压开始回落,电压差异开始缩小,但差异缩小速度快慢取决于电池组的一致性差异情况,当配置了电池均衡器后,电压差异的减小速度则取决于均衡器的静态均衡能力和均衡效率。


同样,电池组在大功率放电结束后,各单元电池的电压开始回弹,衰减严重的单元,反弹速度块,衰减轻微或未衰减的单元,反弹速度满,反弹速度的差异会造成电池间的电压差异反向变化,但反弹速度快慢和电压差异的变化同样取决于电池组的一致性差异情况,当配置了电池均衡器后,电压差异的减小速度则取决于均衡器的静态均衡能力和均衡效率。


4影响均衡能力的关键因素


通过前面的分析,我们知道,均衡能力的高低主要体现在两个方面。一是最大支持均衡电流的大小;二是控制电压差的能力。


首先来阐述均衡电流难以大幅度提高的原因。电池间的电能是无法直接转移的,必须通过转换电路来实现,实质上这个转换电路也是一个特殊电源,需要用到换能器件和续流二极管。其中,续流二极管存在导通电压和功耗限制,电流和功耗不能过大,因此二极管的续流能力和工作效率直接限制和制约了均衡器的最大均衡电流和均衡效率,需要进行设计的优化,特别是提高最大支持均衡电流能力。


控制电压差的能力不仅与均衡电流有关,而且与控制策略有关,二者缺一不可,当解决了均衡电流的短板后,均衡策略就是重中之重了。控制电压差的方法有三种:分别是绝对电压值法、基准电压值法和相对电压控制法。每种方法都各具特点,灵活性和执行效率方面完全取决于设计架构的要求,不能互相取代。


5均衡能力的突破


通过前面的分析,我们知道,均衡能力是反映电池均衡器性能优劣的重要指标,最大支持均衡电流和均衡效率是均衡能力的关键,是目前市场上各种电池均衡设备亟待解决的难点,也是未来电池均衡设备研究和需要突破的重点。


要解决这个难点,必须从电池均衡器的设计着手,重点之一就是解决续流二极管的大电流损耗问题。本文作者另辟蹊径,引入了同步整流的思想,研发出适合电池组双向均衡需求的双向同步整流技术,成功地利用功率场效应对管实现同步整流,代替续流二极管,一举攻克续流二极管的均衡电流偏小、均衡效率低的难题,很容易就实现1A/13mv的均衡能力。


在功率管不采用散热片的情况下,实验样机支持的最大连续均衡电流高达5A以上,经优化设计后的大功率均衡器样机更是实现了高达1A/10mv以上的均衡能力,最大连续均衡电流高达10A以上。由于双向同步整流设计的驱动能力很强,支持扩展,最大均衡电流高达20A以上,以适应大功率储能、动力电池组均衡的需求,这是传统采用续流二极管设计无法做到的。


6结束语


均衡能力和均衡效率是电池均衡设备性能优劣的重要指标,关系到能否适应电池组均衡和安全运行的需要,特别是预防大电流导致衰减电池过充电原因引起的热失控故障的需要,转移式电池均衡技术因同时支持高速充电均衡、放电均衡和静态均衡,可以降低充电、放电期间的均衡负荷,间接提高了充电、放电均衡的效率和速度,因而可以更加有效地防控热失控这个最大的安全风险。


参考文献

周宝林、周全:一种具有双向同步整流功能的转移式实时电池均衡器

周宝林、周全:转移式电池均衡技术对电池电压与荷电量影响的研究

周宝林、周全:转移式实时电池均衡技术对衰减电池组容量和温升的影响

 

 

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