华宇下载_动力锂离子电池BMS均衡功能的介绍
生产制造和使用过程的差异性,造成了动力锂电池单体天然就存在着不一致性。不一致性重要表现在单体容量、内阻、自放电率、充放电效率等方面。单体的不一致,传导至动力锂电池包,必然的带来了动力锂电池包容量的损失,进而造成寿命的下降。有研究表明,单体电芯20%的容量差异,会带来电池包40%的容量损失。
电池单体的不一致,会随着时间的推移,在温度以及振动条件等随机因素的影响下进一步恶化,使得参数向着离散化方向,义无反顾打马而去。如同这个世界永远向着熵增的方向前进相同。趋势无法逆转,但可以干预,降低它的恶化速率。方法之一就是通过电池管理系统对电芯执行均衡。
1均衡的触发
业内早已认识到均衡的重要性,有关电池均衡的研究由来已久,得到的方法结论也多种多样。
低温高能量密度18650 3500mAh 比能量252Wh/kg,-40℃放电容量≥70%
充电温度:0~45℃
-放电温度:-40~+55℃
-40℃支持最大放电倍率:1C
-40℃ 0.5放电容量保持率≥70%
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1.1触发参数
均衡面对的第一个问题,是什么条件下起动系统均衡功能。常见的是两条路线,一条是以单体端电压为监督目标,当单体压差进入一定范围,均衡开始发挥用途;另一条路线是以SOC为目标,认为SOC才是真正反映电芯需求的参数,当单体SOC与平均SOC的差值达到一定值,均衡过程被触发。
实际上,SOC是一个更综合的参数,假如计算的合理准确,可以覆盖单体电压的影响。但是假如把SOC作为目标参数,则系统设计必须包含采集计算每只串联电芯SOC相关数据。
1.2什么状态可以均衡
另一个问题,到底在什么过程中执行均衡,是不论什么过程,只要达到了参数的阈值就开始均衡,还是人为规定,均衡只发生在充电过程、放电过程,还是电池没有工作任务的静置过程。
无磁低温18650 2200mAh -40℃ 0.5C放电容量≥70%
充电温度:0~45℃
放电温度:-40~+55℃
-40℃最大放电倍率:1C
-40℃放电容量保持率:0.5C放电容量≥70%
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这个问题的观点不是非常一致,各家管理系统有不同的设置。我想,均衡过程应该可以设计在任何过程中,但要考虑是否对电池包最有利。
充电末尾均衡,在最高单体电压触及充电截止电压后,系统启动均衡功能,放掉电压最高单体部分电量,使得系统还可以进一步充入更多电量,或者让高电量电芯给最低电量电芯充电,理想状态是全部电芯同时到达截止电压。
在放电过程末尾均衡,当单体最低电压已经触及放电截止电压,系统启动均衡,最低电压消失后,系统还可以再运行一段距离。
这个过程中会有两个问题,一方面,只有系统配备主动均衡功能,才可以实现继续行驶一段距离的目的,假如只有被动均衡,放掉高电量,则只能发挥去除电芯累积能量差距的目的;进而,另一个问题,即使在放电末尾,全部电芯回到了同一个起跑线,但由于电芯之间的容量差异,到达充电结束时刻,充电均衡可能还是要进行。
在车辆运行过程中均衡,这里的一个问题是,由于电流大小不同,系统内阻大小不同的影响,动态的SOC和电芯电压往往不容易得到准确值,这对运行过程中均衡可能会非常不利。
2均衡策略
2.1概念
什么是被动均衡
被动均衡,运用电阻器,将高电压或者高荷电量电芯的能量消耗掉,以达到减小不同电芯之间差距的目的,是一种能量的消耗。
什么是主动均衡
主动均衡,运用储能器件等,将荷载较多能量的电芯部分能量转移到能量较少的电芯上去,是能量的转移。
有专家认为,上面的两个表述应该对应于耗散型均衡和非耗散型均衡。而主动还是被动,应该取决于触发均衡过程的事件,系统到达那个状态不得不进行的就是被动。假如是人为设定,在可以不均衡的时候设置了均衡程序,才称为主动均衡。
例如,放电放到最后,电压最低的电芯已经到达了放电截止电压,而其他电芯还存有电量。这时候,系统为了把尽量多的电都放掉,于是把高能量电芯的电部分的转移给低能量的电芯,使得放电过程又进行下去,直到把全部电量放干净,这是被动均衡过程。假如在放电至电量还有40%的时候,系统预计到,在放电截止的时候会出现不均衡,于是起动均衡过程,这才是主动均衡。
最近看到了这部分内容,放在这里供参考。
2.2均衡控制策略
当前的均衡控制策略中,有以单体电压为控制目标参数的,也有人提出应该用SOC作为均衡控制目标参数。暂且搁置两个控制目标孰优孰略的讨论,举例说明均衡策略的一般形式。
以单体电压为例。设定均衡控制的触发阈值,比如极值与平均值的差值达到50mV起动均衡过程,5mV结束均衡。管理系统按照固定的采集周期采集每一串单体端电压,先计算平均值,再计算每只电芯电压与电压均值的差值,电芯编号按照差值大小排队。差值与设定阈值比较,若最大的差值在阈值范围内,触发均衡程序。后续策略与具体均衡实现形式有关。
3均衡硬件概述
3.1基于变压器
变压器匝数多的原边并联在整个电池组的总正总负上,匝数少的副边通过开关的切换可以并联在任意一只电芯上,变压器通过互感用途,使得能量在原边与副边之间的传递。
均衡过程大体是这样的。副边先并联在高能量电芯上,能量传递到原边,形成原边的端电压,加载在整个电池组上,给整组电池组充电;副边并联在低能量电芯上,通过变比,得到一个高于低能量电芯端电压的电压,给电芯充电。
3.2基于双向DCDC
有文献提出的做法是,将每只电池的SOC与平均SOC做差,按差值大小将电池排队,按照一帮一一对红的原则,差值正的最大与负的绝对值最大结成对子,通过低压DCDC,电压高的电芯给电压低的充电。以此类推,遍历全部差值超过某个限定值的电芯,直到遇到没有配组必要的电池为止。
3.3基于电感
基本想法是把能量高的电芯能量暂存在电感中,待电路开关转换位置,电感与低能量电芯连接成回路,再将电感中的能量放入低能量电芯中。
一个具体的例子。比较相邻两只电池A和B的端电压,A高B低;均衡电路首先把电感与A短时间接通,将部分能量充入电感,断开;再使电感与B形成回路,电感给B充电。能量只能通过电感在相邻的电芯之间传递,但一串电芯的第一只和最后一只也可以通过这种方式实现能量转移,因而可以形成一个能量传递的闭环。在多次比较传递以后,理论上系统内的单体电压可以实现均衡。
3.4基于电容
与应用电感的基本想法类似,同样是设法把高能量电芯部分能量暂存在电容里,通过配置开关电路,将能量转移给低能量电芯。
电容的应用一般有三种方式,多电容均衡,单电容均衡和双层电容均衡。
多电容均衡和单电容均衡原理类似,差别在于,多电容电路,电容只在左近的两只电池之间切换,而单电容均衡,是用开关的不同通断组合,使得电容可以并联在任意一只电芯的两端。
将一只电容并联在高能量电芯的两端,部分能量,以充电的形式转移到电容上,待到电芯与电容电压平衡,开关断开,并将电容转接到低能量电芯的两端,待到电芯与电容电压平衡,再去重复刚才的过程。电芯自身具有内阻,给电芯充电的电源电势必须略高于电芯。经过几次转移,电容最后与低能量电芯并联时,发现自己不能再给电芯充电了,压差不够了。此时均衡过程宣告结束。
双层电容均衡,是在多电容的基础上新增一只并联在整个串联电池组两端的电容,使得一串电芯的第一节和最后一节的能量转移成为可能,也提高了均衡效率。
3.5基于电阻
给电芯两端并联电阻,让电阻消耗掉部分电池能量,也就是前面说到的被动均衡采用的方式。
并联电阻有两种形式,一种是固定连接,电阻长期并联在电池两端,电芯电压高时,通过电阻的电流大,消耗的电量多,电池电压低时,电阻消耗电量小。通过电阻这种压敏特性,实现电池端电压的均衡。这是个理论上可行的方法,实际很少使用。
另一种并联电阻方法,是通过开关回路将电阻并联在电芯两端。开关由管理系统信号触发,当系统判断哪个电芯电压或者SOC高时,连接其并联电阻,消耗其能量。
4均衡的局限性
被动均衡,电流无法完全按照实际需求去做,因为通过电阻消耗的能量,转化成热量,对电池管理系统以及电池包都会出现不良影响;
主动均衡,要配置相应电路和储能器件,体积大,成本上升,这两个条件一起决定了主动均衡不容易推广应用。
电池包的每个充电放电过程,都伴随着一部分电池局部的附加充放过程,无形中新增了电池的循环次数,关于本身要充放电才能实现均衡的电芯,额外的工作量是否造成其超越一般电芯的老化,进而造成与其他电芯更大的性能差距,还没有研究做出过明确的判断。第一个原因,基础工业水平决定的材料精度纯度的不稳定性,带来了最终产品性能的不一致。使用不同批次的正极、负极和电解液,生产的电芯单体,一般是不能混用的。即使分选过程中的的参数非常一致,但分选手段基本都不能体现未来使用一段时间以后,电芯的状态,因而当前的处理方式就是防止混合使用。
另一个原因是电芯生产过程中的工艺一致性问题。电芯生产工艺比较复杂,大致过程如下。
整个过程中,每一步工序的一致性都非常重要,但最难保障一致性的是涂布工艺过程,涂层厚度和均匀性以及材料活性都不是机械手段易于严密把控的,是造成单体差异的重要工序。制造工序中出现的差异,只能在分选工序中尽力弥补。
1.2使用过程
循环使用过程
单体在整个电池包中的位置不尽相同,被包裹在模组中心的单体与身处模组最外层的单体,散热条件差异巨大;
与模组集流铜排的相对位置也不可能带来单体热环境的不一致性。铜排是热的良导体,散热能力高于电芯单体。电芯相关于集流铜排的位置不同就会造成彼此间散热条件的不同。
有研究表明,工作过程中,温度的不一致会对电芯的不一致性出现最为显著的影响,使得电芯从不一致走向更大的不一致。
不同的热环境叠加在一起,导致单体的工作温度条件存在差异。高温工作造成借宿劣化,劣化后的内阻上升,又会返回来提高电芯温升。热环境的不同,是这个负反馈的开端。
静置过程
使用过程中的静置,设想单体身处一辆电动汽车中。停车状态,车上的所有电力全部断掉,包括电池包的热管理系统(假如电池包本来具备热管理系统的话),电池包处于自然温度场中。出现影响的,还是电芯的相对位置,造成热环境不同。
每颗电芯与电池包壳体距离不同,受到外界温度变化的影响程度就会存在差异。在达到热平衡之前,不同电芯的温度条件都是不同的。