浅谈电池管理系统的被动与主动均衡

作者:石振懿 文章来源:AI《汽车制造业》 点击数:3893 发布时间:2017-12-29
电池是电动汽车最重要的组成部分之一,长久以来,如何延长其使用寿命是一直困扰着整车厂和电池厂的一个难题,而这一难题的根本原因是多串联下的电池不均衡。本文主要分析目前市场上均衡多串联电池系统的传统被动均衡和主动均衡。
浅谈电池管理系统的被动与主动均衡

电池为什么需要均衡?

电池本身还有可用容量,却因为电池之间不均衡以及为保护电池设置的安全电压的限制导致电池系统无法继续发挥应有的性能。另外,电池在车上的使用寿命比车辆本身的寿命短,即使车辆还没有到达报废年限,却要为满足动力性能而更换电池。但是,更换电池的成本又相当高,因此这在很大程度上制约了电动汽车的发展。

造成电池不均衡最主要的原因是温度。一般情况下,锂离子电池的使用环境温度高于其最佳温度10℃时,锂离子电池的寿命会降低一半。由于车载电池系统的串联数量非常多,一般在88~100串联之间、其容量一般在20~60 kWh,每串电池装载的位置不同而会产生温度差。即使在同一个电池箱内,也会因为位置和电池受热不同出现温度差,而这个温度差会对电池寿命产生重大负面影响,使电池出现不均衡,使得续航里程下降、循环寿命缩短。正是由于这些问题,导致整个电池系统的容量无法完全使用,造成电池系统损失,而减缓这样的系统损失也就会大大延长电池系统的使用寿命。

图1 电池系统损失与均衡效果

如图1所示,电池系统初期容量是100%,在使用的过程中电池会因为各种原因(主要是温度)逐渐衰减,这是锂电池的特性。这部分的衰减无法通过均衡挽回。而造成系统容量下降的最主要的原因是电池容量不均衡导致的系统损失。系统损失并不是所有电池容量减少,而是指电池系统因为不均衡造成有容量也无法使用。

一般情况下,电池容量下降至70%~80%的时候会更换电池以保持续航里程,电池容量保持在70%以上的时间越长,电动汽车的成本也就越低。在没有均衡和一般的被动均衡技术下,电池系统的容量不到3年(每天一次满充满放)就会下降至70%以下。做得较好的被动均衡可以将电池容量勉强维持在70%。与此形成鲜明对比的是,做得较好的主动均衡可以将系统损失降到最低度。这样的主动均衡可以有效地降低因容量不均衡导致的系统损失,进而延长电池系统的使用寿命,延缓电池系统的更换时期,同时增加续航里程。
被动均衡与主动均衡

在电池系统中担任重要角色的电池管理系统(BMS)作为延长电池寿命的有效手段,逐渐得到大家的重视,其中,起到关键作用的BMS均衡系统也引起了广泛关注。目前市场上均衡多串联的电池系统有传统的被动均衡和主动均衡两种方式。

1.被动均衡

被动均衡一般通过电阻放电的方式,对电压较高的电池进行放电,以热量形式释放电量,为其他电池争取更多充电时间。这样整个系统的电量受制于容量最少的电池。充电过程中,锂电池一般有一个充电上限保护电压值,当某一串电池达到此电压值后,BMS会切断充电回路,停止充电。如果充电时的电压超过这个数值,也就是俗称的“过充”,锂电池就有可能燃烧或者爆炸。因此,BMS一般都具备过充保护功能,防止电池过充。

图2 电池保护造成系统损失的原因

图3 被动均衡充电时工作原理

如图2所示,充电过程中2号电池先被充电至保护电压值,触发BMS的保护机制,停止电池系统的充电,这样直接导致1号、3号电池无法充满。整个系统的满充电量受限于2号电池,这就是系统损失。为了增加电池系统的电量,BMS会在充电时均衡电池。如图3所示,均衡启动后,BMS会对2号电池进行放电,延迟其达到保护电压值的时间,这样1号、3号电池的充电时间也相应延长,进而提升整个电池系统的电量。但是,2号电池放电电量100%被转换成热量释放,造成了很大的浪费(2号电池的散热是系统的损失,也是电量的浪费)。

图4 被动均衡放电时无法均衡

如图4所示,除了过充对电池会有严重影响外,过放也会造成电池严重损坏。同样,BMS具备过放保护功能。放电时,2号电池的电压到达放电保护值时,触发BMS的保护机制,停止系统放电,直接导致1号、3号电池的电池余量无法被完全使用,均衡启动后会改善系统过放。

被动均衡的优点是成本低和电路设计简单;而缺点为是以最低电池残余量为基准进行均衡,无法增加残量少的电池的容量,及均衡电量100%以热量形式被浪费。

2.主动均衡

主动均衡是以电量转移的方式进行均衡,效率高,损失小。不同厂家的方法不同,均衡电流也从1~10 A不等。目前市场上出现的很多主动均衡技术不成熟,导致电池过放,加速电池衰减的情况时有发生。市场上的主动均衡大多采用变压原理,依托于芯片厂家昂贵的芯片。并且此方式除了均衡芯片外,还需要昂贵的变压器等周边零部件,体积较大,成本较高。

图5 变压方式主动均衡原理

如图5所示,每6串电池为一组,取6串电池的总电量转移给容量小的电池。电感式主动均衡以物理转换为基础,集成了电源开关和微型电感,采用双向均衡方式,通过相近或相邻电池间的电荷转移均衡电池,并且不论电池处于放电、充电还是静置状态,都可以进行均衡,均衡效率高达92%。

图6 电感式主动均衡充电时的工作原理

图7 电感式主动均衡放电时的工作原理

其放电和充电工作原理,如图6及图7所示,2号电池将电量转移给1号、3号电池。高效的电荷转移,使得充电时3个电池的电压一直保持在均衡状态下,这样所有电池都能充满。BMS在放电时,也可均衡电池。1号、3号电池将电量转移给2号电池,3个电池的电压一直在均衡状态下放电,这样所有电池电量都能用完。

3.均衡效果

图8 主动均衡用于不同容量电池的均衡效果

图9 主动均衡在8 串联电池系统中的作用

我公司对电感式主动均衡在不同条件下进行了充分的测试验证,对严重衰减的电池,也可以实现电池的均衡,最大限度地使用电池。如图8所示,使用不同容量电池的均衡效果中,Cell-1为12 Ah,Cell-2为4 Ah,可将电压参差不齐的电池均衡一致。更多串联非均衡电池系统的均衡测试效果如图9所示。

主动均衡的优点是效率高、能量损失小且电池残容量平均;缺点是成本高、电路设计复杂。

均衡电流的大小

谈到均衡电流的大小,很多人都认为均衡电流一定要足够大才能均衡电池,这其实是一种误解。假如电池系统内的电池在使用过程中容量保持一致,或者电池在不均衡状态恶化之前得到修复,那么就没有必要使用那么大的均衡电流。

主动均衡的均衡电流其实没有必要很大,1~1.5 A的均衡电流就足够了,计算公式为:所需要的均衡电流=电池相互之间的容量差÷可用于均衡的时间。    

电池之间的容量差是指一个电池系统内相近或相邻电池之间的容量的差。一般来说,整车厂都会要求电池厂在供货时挑选一致性好的电池,甚至于有的整车厂会要求压差在10 mV或几毫伏以内,所以电池厂会先筛选一致性较好的电池,把SOC和电压调成一致后再送到整车厂,这样就能够避免电池系统装车后出现容量差和不一致的问题。

可用于均衡的时间则是指均衡系统在电动汽车充电和放电时间内可以进行均衡的时间。出于对整车的安全性和电量消耗的考虑,一般都会在充电及放电过程中对电池进行均衡,将充放电时间做为可以均衡的时间。首先一辆电动汽车是不可能在10 min内将所有的电量都用完的,即使连续不停地行使,也至少需要2~3 h。换言之,放电时可均衡时间为2~3 h。其次是充电过程,根据国标普通充电模式的定义,一般的电动汽车的充电时间需要5~8 h。这就意味着在一个充放电过程中至少有7 h可以用于均衡,如果在这段时间内可以完成均衡,就意味着1.5 A的均衡电流是足够的(即使是快充模式,充电时间也有1 h以上)。

如图10,以电池容量100 Ah为例,SOC出现3%的差异时,以1.5 A的均衡电流进行均衡,2 h即可使电池达到均衡,即使有10%的差异,也只需要6.6 h,所以1.5 A的均衡电流是绰绰有余的。并且,如上所述,整车厂要求那么严格的情况下,相近或相邻的电池是不可能有10%的差异的。更关键的是成本和空间问题,均衡电流越大,周边的大量电子零部件的体积也会变大,价格也会随之上浮,所以若采用大均衡电流,不仅扩大了产品尺寸,还增加了成本。

主动均衡是未来趋势

随着我国电池技术水平的提高,电池质量日益提升,电池不均衡现象会在一定程度上得以改善。但是,如上所述,导致电池不均衡的原因是温度差异造成的,并非电池本身可以解决的问题,是电池系统应该综合考虑的问题。

图11  均衡电流1.5 A的均衡能力

最近,使用我公司开发的电感式主动均衡的BMS对国内外一流车厂的电动汽车的退役电池进行了均衡恢复系统容量的测试中,测试结果如下:如图11所示,测试1和测试3分别使用主动均衡对电池系统进行均衡后,整体性能都提高近20%,这意味着如果这两套系统一开始就装载高效的主动均衡的话,他们就可以继续在车上发挥作用而不需要退役,大大降低了电池的使用
成本。

总结

图12 主动均衡恢复退役电池系统的测试

在全球电动汽车热潮中,今后将会有大量的电池系统因为系统损失而退役,这也给电池的梯次利用带来了很大的商机,而图12测试结果表明,主动均衡将在梯次利用中发挥至关重要的作用。除了在使用层面,在经济层面和环保层面上,主动均衡也能够有效地提升电动汽车产业化整体发展水平。