采用主动平衡方法解决电动汽车锂电池的“行程里数”问题-佳工网




采用主动平衡方法解决电动汽车锂电池的“行程里数”问题
Jack Marcinkowski

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本文是全文的上篇，文中主要探讨大容量汽车锂电池的设计和实施问题，并详细介绍主动平衡方法的优点以及被动平衡方法的不足之处。一直以来大部分汽车锂电池都采用被动平衡方法，但在成本压力之下，汽车厂商现在不得不改用更先进的主动平衡系统，以便能充分利用电池组内的所有储电。本文的下篇主要评估主动式的平衡方法，看看这种方法能否为锂电池提供一个既安全可靠而又可延长其寿命的终极解决方案。导言混能及全电动的汽车甚受市场欢迎，其增长率更一直大幅飙升，显示汽车电动化的发展即将进入另一个崭新的阶段。电池是决定电动汽车成败与否的关键因素。新一代的锂电池技术提升了电池组的储电量及功率密度，而且也降低了电池的生产成本。早期推出的电动汽车备受“行程里数问题”的困扰，这也是潜在买家的最大顾虑，因此电池技术必须有进一步的改进，才可解决这个“行程里数问题”。对于电动汽车来说，电池组是车内最昂贵而稳定性又最成疑问的组件。高性能的电池管理系统可为混能及全电动的汽车提供一个理想的解决方案，解决电池组电量不足的问题。正如Chevy Volt 的设计团队表示：「我们的工程师在研发的过程中发现只要采用电池管理系统便可大幅延长电池寿命，并确保电池能充分发挥其性能。换言之，电池管理系统是解决电池问题的关键。」(http://green.autoblog.com/2009/11/17/gm-provides-update-on-volt-vehicle-and-battery-development/) 被动平衡解决方案及其相关问题设计电池管理系统的工程师要面对许多问题，首先要面对的是大量串联一起的小电池的充电问题；此外，另一问题是如何确保电池组内每一枚小电池都不会过量充电。锂电池对于过压情况极为敏感，过压会降低电池性能，甚至会令电池严重受损，无法再用。不同的电池各有不同的性能参数，因此性能也各不相同。此外，每次重新充电前，不同的电池也各有不同的残余电荷，因此部分电池会较快充满电，以致这些电池会因为出现过压而严重受损，无法再用。目前有一个方法可以确保电池组内的所有小电池都能充满电，办法是将电流分流至旁路电阻。这个称为被动平衡的方法可将不需要的充电电流分流至电阻，让电阻耗散这些电流，以免电池过量充电。这个功率耗散功能可将电池分流出来的电流限定在某一范围内。若某一“性能最弱”的小电池已耗尽其储电，整个电池组必须停止放电。但这样会浪费大量储电，因为电池组内一些“强势”的小电池无法用尽其余下的储电。这是行程里数无法准确预测的主要原因，也是里数问题的症结所在。电动汽车无法进一步普及，主要的原因是消费者对这个问题仍有很大的顾虑。被动平衡方法无法在电池放电时发挥作用，因此必须寻求其他办法。即使电池组内的不同小电池之间取得高度的平衡，但它们的储电量也不尽相同。这个现象称为储电量失衡。即使不同小电池的储电量在开始时完全相同，但由于部分小电池的内部损耗较大，因此到后来它们的实际储电量也会各不相同。此外，同一厂商生产的小电池都各有不同的性能参数，因此厂商通常会严格挑选参数差距最少的小电池放在同一电池组内。但整个测试过程需要花费较多时间，而且不合格的小电池会被筛出，这样会增加厂商的成本负担。随着电池老化，其储电量也会相应递减，令各小电池的参数差距也进一步扩大。加上电池组内不同的小电池各有不同的温度梯度，因此小电池的老化程度也各不相同。热量管理技术可以在电池平衡方面发挥关键作用，但引进这种技术会大幅增加成本。实际储电量较低而且呈“弱势”的小电池备受最大的放电压力，因此耗电也最快，令其充电量也比其他强势电池少。经过一段时间的使用之后，这类弱势的小电池会较快老化，储电量的跌幅也较大，换言之，这些小电池的寿命会更短，令整个电池组的寿命也会因此而缩短。主动平衡的解决方案主动平衡方法可以解决锂电池面对的这些问题。主动平衡系统无需先将电池电流分流，然后再将电流耗散，其优胜之处是可以通过直流/直流转换器将电荷传送至电池组内的小电池。无论小电池处于充电、放电还是空闲状态，都可传送电荷，而各小电池之间也可经常保持平衡。由于主动平衡方法的电荷传送效率极高，因此可以提供较高的平衡电流，令电池组内各小电池可以更快达致平衡，而且充电速度也更高，这是被动平衡方法所无法做到的。空闲的电池也会漏电，而且即使不同的小电池之间已达致完全平衡的状态，由于温度梯度不同，令各小电池的内部漏电速度也各不相同，以致电荷漏失率也各不相同。电池温度每升高10度（摄氏），漏电率便上升一倍。主动平衡功能可以确保空闲的小电池不断重新寻求平衡。不同小电池之间必须经常保持平衡才可充分利用电池组内的所有储电。（图片）图1：主动和被动平衡方法的优劣比较图1显示主动平衡方法比被动平衡方法优胜，因为采用被动平衡方法的电池各有不同的储电量。若采用被动平衡方法，电池组的总储电量相等于充电时的最高和最低储电量之间的差额。整个电池组可以不断放电，直至某一小电池的储电量已降至其最低水平为止，但这个时候其他小电池还有未用的残余电能，因此电池组的实际储电量（充电量）会减少。由于主动平衡方法可以在充电时利用高效率的电源转换器传送电荷，因此储电量不同的小电池都可完全充满电，而且功率损耗可以减至最少。若采用被动平衡方法，部分电荷会被耗散掉，但主动平衡方法会将这些电荷传送到储电量较大的小电池。放电时情况也大致相同，由于大容量电池的电能可以重新分配到容量较小的电池之内，因此所有小电池都可充分放电，电池组内不会有残余的电能留下。具备主动平衡功能的电池组拥有较大的实际储电量，这方面比被动平衡的电池优胜。主动平衡系统的性能取决于平衡电流与电池充电和放电率之间的比率。电池的不平衡率越高而且充电或放电率越大，所需的平衡电流便越高。主动式电池管理系统可以在充电或放电时为小电池之间的储电量差额提供补偿（假设采用的平衡电流恒定不变），图2显示这个差额的补偿数值。（图片）图2：利用主动平衡方法为储电量差额提供补偿总结一般的电池组内含数以十计甚至数以千计的小电池。电池组进行充电时，要确保其中的每一枚小电池不会过量充电，电池处于充电、空闲及放电状态时，要确保小电池之间经常保持平衡，而且还要缓解小电池之间的电荷和储电量的失衡情况。这些功能都要通过先进的主动式电池管理系统才可实现。由于不同小电池之间的性能参数各不相同，而且老化程度也各不相同，因此电池组的总储电量必须特别加大，以便有较大的空间抵销电池失衡所产生的不利影响，这样会增加电池的总成本，但采用主动式电池管理系统有助于抵销成本上升的压力。当部分旧电池改换成新电池之后，电池组便会失衡，这时主动式电池管理系统便能发挥重要的平衡作用，让电池厂商可以采用参数容限较大的电池，以便提高生产线的成品率，而且保修和维护的成本也可以降低。主动式电池管理系统不但可以提高电池的性能、可靠性和安全性，而且还可降低系统成本。主动式电池管理系统是促进混能汽车和电动汽车产业飞跃发展的关键技术。 11/3/2011


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