動(dòng)力電池組 特性分析 均衡管理

前言

被認為是未來(lái)汽車(chē)的電動(dòng)汽車(chē)是電動(dòng)源、電機和整車(chē)三大技術(shù)的結合體,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)嚴格的檢測程序,使每只電池的電壓、內阻、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)不當造成的,首要原因當推過(guò)充和過(guò)放導致單體電池提前失效.本文結合鋰動(dòng)力電池特性、電子電源、計算機控制技術(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

1.1 電壓

開(kāi)路電壓=電動(dòng)勢+電極過(guò)電位,工作電壓=開(kāi)路電壓+電流在電池內部阻抗上產(chǎn)生的電壓降.電動(dòng)勢由電極和電解質(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).金屬鋰標準電極電位-3.05V,3V鋰電池3.3~2.3V,4V鋰4.2~3.7V,5V鋰4.9V~3.0V

1.2 內阻

電池在短時(shí)間內的穩態(tài)模型可以看作為一個(gè)電壓源,其內部阻抗等效為電壓源內阻,內阻大小決定了電池的使用效率.電池內阻包括歐姆電阻和極化電阻兩部分,歐姆電阻不隨激勵信號頻率變化,又稱(chēng)交流電阻,在同一充放電周期內,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)特性對外部充放電表現出的抵抗反應產(chǎn)生,與電池荷電、充放強度、材料活性都有關(guān).同批電池,內阻過(guò)大或過(guò)小者都不正常,內阻過(guò)小可能意味材料枝晶生長(cháng)和微短路,內阻太大又可能是極板老化、活性物質(zhì)喪失、容量衰減,內阻變化可以作為電池裂化的充分性參考依據之一.

1.3 溫升

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

1.4 內壓

電池內部壓力,由于電池內部反應逸出氣體導致氣壓增大,氣壓過(guò)大將撐破殼體和發(fā)生爆裂,基于安全考慮,一方面鋰電池都設計了單向的防爆閥門(mén),一方面用塑殼制造.析氣反應常伴隨著(zhù)不可逆反應,也就意味著(zhù)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計算電量,對于動(dòng)力電池側重于功率和能量大小,用Wh更直接一些,因為電池的電壓是變化的,其全程變化量可達到極大值的一半左右,用Ah計算電量不能正確描述電池的動(dòng)力驅動(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實(shí)際容量的比值,稱(chēng)荷電程度.是人們在使用中最關(guān)心的、也是最不易獲得的參數數據,人們試圖通過(guò)測量?jì)茸?、電壓電流的變化等推算荷電?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計數據的有效支持,指示的荷電程度總是非線(xiàn)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,后期,劣化作用顯著(zhù),容量衰減,規定容量衰減到一定比例(60%)后,電池壽命終結.

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)力電池組的負載是電機控制器,電機控制器根據車(chē)速變化調整輸出功率,短時(shí)間來(lái)看,電池組驅動(dòng)的是恒功率負載,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.對于電動(dòng)汽車(chē),續駛里程是最重要指標之一,在電池組電量和輸出阻抗一定的前提下,根據能量守恒定律,電池組輸出的能量轉化為兩部分,一部分作為熱耗散失在電阻上,另一部分提供給電機控制器轉化為有效動(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試程序已被人們普遍接受并形成許多標準,測試壽命時(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.提供者強調每只電池的電壓不可超越規定的限值,電池組的壽命應該是各單體電池壽命的最小者,其值應該與單體平均壽命相差不會(huì )太多,測試人員模擬電池組使用情況,用對單體電池相同的方法測試壽命,電壓限值取單體電壓限值與數量乘積,實(shí)際限制的是單體平均電壓,組內單體電壓有低有高,對于幾十只、上百只的電池組,電壓、容量、內阻的差異性總是客觀(guān)存在的,過(guò)充過(guò)放無(wú)法避免,并且一旦發(fā)生相關(guān)電池將很快報廢,因此就出現專(zhuān)家組測試的電動(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,對電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展造成了負面影響,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)用消防隊滅火,許多單位顧忌影響而施行保密策略,事發(fā)第一現場(chǎng)很難到場(chǎng),總結這些不完全的事故信息,初步有以下推斷:
· 長(cháng)期在庫存的電池未發(fā)生過(guò)自燃和爆炸,運輸過(guò)程中也沒(méi)出現自燃的;
· 電池爆炸發(fā)生于充電后期或已經(jīng)結束,充電設備和方法難脫干系;
· 外部電路短路可以造成強電弧或使導線(xiàn)燃燒,也可以導致自燃,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、水泡等安規測試.

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(huà),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(cháng),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,主要為吸熱反應,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),充電前把電池預熱可以改善充電效果.隨著(zhù)充電過(guò)程不斷進(jìn)行,極化作用加強,溫升加劇,伴隨析氣,電極過(guò)電位增高,電壓上升,當荷電達到約 70~80%時(shí),電壓達到最高充電限制電壓,轉入恒壓(CV)階段.理論上并不存在客觀(guān)的過(guò)充電壓閾值,若理解為析氣、升溫就意味著(zhù)過(guò)充,則在恒流階段末期總是發(fā)生不同程度的過(guò)充,溫升達到40~50攝氏度,殼體形變容易感測,部分逸出氣體還可以復合,另一些就作為不可逆反應的結果,損失了容量,這可以看作電流強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30%的時(shí)間充入10%的電量,電流強度減小,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,相對組內其它電池已經(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,由于電流強度大, 電壓、溫升、內壓持續升高,以4V鋰為例,電壓達到4.5V時(shí),溫升40度 、塑料殼體變硬,4.6V時(shí)溫升可達60度、殼體形變明顯并不可恢復,若繼續過(guò)充,氣閥打開(kāi)、溫升繼續升高、不可逆反應加劇.恒壓階段,電流強度較小,過(guò)充癥狀不如恒流階段顯著(zhù).只要溫升、內壓過(guò)高,就伴隨副反應,電池容量就會(huì )減少,而副反應具有慣性,發(fā)展到一定程度,可能在充電中也可能在充電結束后的短時(shí)間里使電池內部物質(zhì)燃燒,導致電池報廢.過(guò)充電加速電池容量衰減、導致電池失效,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線(xiàn)電阻和觸點(diǎn)電阻,電壓繼續下降,經(jīng)過(guò)一段時(shí)間以后,到達新的電化學(xué)平衡,進(jìn)入放電平臺期,電壓變化不明顯,放熱反應加電阻釋熱使電池溫升較高.放電電壓曲線(xiàn)近似單體放電曲線(xiàn),持續放電,電壓曲線(xiàn)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載電機,實(shí)際汽車(chē)在行使中,電機輸出功率的變化很復雜,電流雙極性變化,即使勻速行使,路面顛簸、微小轉向都使輸出功率實(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,偶爾有不規則的零脈沖 (無(wú)逆變功能)或負脈沖(有逆變功能,電池被充電)出現.

2.4 過(guò)放電

考慮組內單體電池,必有相對的過(guò)放電情況.在放電后期,電壓接近馬尾曲線(xiàn),組中單體容量正態(tài)分布,電壓分布很復雜,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(guān)察單體過(guò)放情況,進(jìn)入馬尾曲線(xiàn)以后,若電流持續較大,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)結構被破壞,另一種副反應很快發(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,電壓為負值,數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)勢消失,電壓不能恢復,因此,一次反充電足以使電池報廢.

組中單體過(guò)放容易發(fā)生不易控制,電機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,組電壓監視失去意義.

2.5 經(jīng)濟速度與續駛里程

傳統汽車(chē)以經(jīng)濟速度行駛耗油最省,用百公里耗油量評價(jià),經(jīng)濟速度由發(fā)動(dòng)機效率、動(dòng)力傳動(dòng)效率和摩擦力決定,電動(dòng)汽車(chē)也有經(jīng)濟速度,由電池使用效率、電動(dòng)機和控制器效率、摩擦阻力決定,經(jīng)濟速度與電池組內阻有直接關(guān)系,在一定范圍內變化.以經(jīng)濟速度行駛,電動(dòng)汽車(chē)能達到最大的續駛里程.固定整車(chē)和電動(dòng)機,續駛里程可以考察動(dòng)力電池組的能量供給能力,經(jīng)濟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 )導致電機效率降低,工作條件惡劣,可能發(fā)生過(guò)強度放電,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

只要加速度為負值,傳動(dòng)機構就可以帶動(dòng)發(fā)電機發(fā)電,回饋電能可以給電池組充電,將機械動(dòng)能轉化為化學(xué)能存儲使用,瞬間逆變功率與輸出功率屬同一數量級,取決于發(fā)電機逆變效率,加速時(shí)有過(guò)強度放電,逆變時(shí)就有可能存在過(guò)強度充電.

2.8 先進(jìn)的電池組使用方法

過(guò)充過(guò)放對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(guān)變化和緩、但失效速度卻極快,在正常使用中都應嚴格避免出現

鑒于相同原材料、同批次的單體電池,容量、內阻、壽命等性能參數符合正態(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)逼近其它性能參數的一致性,其中最重要的參數是荷電程度;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,那么單體的相對荷電程度也趨于一致,可以實(shí)現同時(shí)充足電、也同時(shí)放空電,進(jìn)而,電池組的壽命應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,極化效應并不激烈,電池的電流接受能力最強,充電電流還應該加大,恒流后期電池溫升、內壓增大,電流已經(jīng)超出電池接受能力,電流應該減小,同時(shí),極化作用、趨膚效應降低了材料反應的活性, 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)現單體電壓的均衡控制,均衡器是電池管理系統的核心部件,離開(kāi)均衡器,管理系統即使得到了電池組測量數據,也無(wú)所作為,也就無(wú)所謂管理.隨著(zhù)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,國外已有報道,如德國Kaiserse Lautern大學(xué),日本本田公司等,國內技術(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斷流和分流,斷流指在監控單體電壓變化的基礎上,在滿(mǎn)足一定條件時(shí)把單體電池的充電或負載回路斷開(kāi),通過(guò)機械觸點(diǎn)或電力電子部件組成開(kāi)關(guān)矩陣,動(dòng)態(tài)改變電池組內單體之間的連接結構,可能的斷流部件有機械、繼電器、半導體.電動(dòng)汽車(chē)用電池組功率很大,瞬時(shí)電流可達數百安培而且雙極性變化,在考慮可行性、性?xún)r(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)分流轉移電能達到均衡目的,實(shí)現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、風(fēng)機等耗電設備,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,當忽略轉換效率時(shí),回饋不消耗能量,可實(shí)現動(dòng)態(tài)均衡.回饋型具有更高的研究?jì)r(jià)值和使用價(jià)值,最有可能達到實(shí)用化設計.

3.3 能量變換器

電池電壓均衡利用能量變換裝置實(shí)現,依據高頻開(kāi)關(guān)電源(SMPS)的原理和技術(shù)設計,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)分流電路補充能量,能量變換器應該實(shí)現雙向變換.原則上各種電源電路經(jīng)改進(jìn)設計都可以實(shí)現雙向,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(cháng)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,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)補充電能限制單體電壓不低于預設的放電終止電壓.充電截止電壓和放電終止電壓的設置與溫度有關(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)能量轉換的方法實(shí)現組中單體電壓的平衡,實(shí)時(shí)保持相近的荷電程度.

充電均衡的唯一功能是防止過(guò)充電,而在放電使用中帶來(lái)的負面影響使得使用這種均衡得不償失:不加充電均衡時(shí),容量小的電池被一定程度過(guò)充,組內任何單體過(guò)放以前,電池組輸出Ah計電量略高于單體最小容量.使用充電均衡時(shí),小容量電池沒(méi)有過(guò)充,能放出的電量小于不用均衡器時(shí)輕度過(guò)充所能釋放的電能,使得該單體電池放電時(shí)間更短,過(guò)放的可能性就更大了.另外,當電機控制器以組電壓降低到一定程度為依據減小或停止輸出功率時(shí),由于大容量電池因充電均衡被充入更多電能而表現出較高的平臺電壓,淹沒(méi)和淡化了小容量電池的電壓跌落,將出現組電壓足夠高,而小容量單體已經(jīng)過(guò)放.

放電均衡與充電均衡情形相似,大容量淺充足放,小容量過(guò)充足放,加速單體性能差異性變化的結果是相同的,都不能形成真正實(shí)用的產(chǎn)品,只有動(dòng)態(tài)均衡集中了兩種均衡的優(yōu)點(diǎn),盡管單體之間初始容量有差異,工作中卻能保證相對的充放電強度和深度的一致性,漸進(jìn)達到共同的壽命終點(diǎn).

3.5 單向和雙向

根據均衡器處理能量的可能流向分單向和雙向均衡,雙向型使用雙向變換器,輸入輸出方向動(dòng)態(tài)調整.比較而言,雙向型更具優(yōu)勢,基于均衡效率考慮,對于單向型均衡器,使用自組高壓到單體低壓的變換器適用于放電均衡,使用自單體低壓到組高壓的逆變器適合充電均衡