帶你讀懂鋰離子電池均衡電路
發布時間:2019-06-14 09:58:39
關鍵詞:動力電池 鋰電池

帶你讀懂鋰離子電池均衡電路


EVERLASTING項目是歐盟“地平線2020”研究和創新計劃資助的項目,旨在通過開發更加準確和標準化的電池監測和管理系統來提高鋰離子電池的可靠性、壽命和安全性,能夠在所有情況和全生命周期內預測電池行為,能夠實現積極和有效的電池管理。

 

鮑教授翻譯的第一篇介紹電芯均衡,特別是如何評價均衡策略。首先討論什么情況下真正需要電芯均衡;其次基于儲能的應用場景定義了不同的均衡策略;最后提出一種適用于大多數場景的均衡策略。


1、電芯不均衡的根本原因

 

由于去中心化的能源基礎設施(固定式儲能設備),以及日益增長的環境友好型出行工具(電動汽車),需要可靠和經濟的電能存儲解決方案。鋰離子電池由于其高能量密度顯示出滿足這些需求的潛力。然而,電動汽車不但需要高能量密度,還需要高的整體能量(大容量電池包)。為了滿足這些需求,電芯通過串聯和并聯組成電池包,一個電池包內可能多達幾千節電芯(例如TESLA采用的18650或者21700電芯)。電池包電壓與可容忍損耗和電力電子設計有關,通常決定串聯的電芯數量。另一方面,并聯電芯的數量取決于整個電池系統的能量和功率需求。

 

由于制造公差,例如電極厚度和整體組件連接性的變化,使電芯的特性略有不同。由于制造精度有限,即使是同一批次的電芯,其初始容量和阻抗也各不相同。這些參數偏差呈高斯(正態)分布。不同的電芯容量和阻抗意味著在串聯連接中,總是有一個電芯或多個電芯塊(多個電芯并聯),它們首先到達充電結束或放電結束電壓。考慮安全因素這些首先到達充電結束或放電結束電壓限制是不能超過的,使得其他電芯的容量不可全部利用。此外,由于電芯內部參數的變化或溫度梯度的存在,不同的自放電和老化速率使得電芯電壓出現差異。這種電芯電壓差異導致進一步過早限制電池包的容量。為了避免可能的容量限制,電池系統中通常需要均衡電路。

 

一般來說,電芯不平衡與電芯質量有關,電芯質量包括初始電芯參數的變化和相同條件下的老化行為、電池系統質量特別是熱管理系統質量。如果能實現完全相同的電芯以及電池系統內部沒有任何溫度梯度,那么均衡系統將不需要,然后這是不可能實現的任務。

 

2、電芯均衡的目標

 

電芯均衡的目標取決于電池包的應用場景。電動汽車的目標是達到最大可能的續航里程,而參與電網控制的固定電池包的目標則是隨時提供所需的電力。

 

對電動汽車來說為了最大限度地提高電池包的能量含量,必須充分利用每個電芯的能量,在完全放電的情況下,盡管每個電芯的容量和阻抗有所不同,但必須實現從100% SOC開始放電至0% SOC。對參與電網控制的固定儲能來說,處于木桶效應最弱板塊的電芯或者電芯塊需要一直處于某一固定SOC,以便允許在指定的時間內釋放和吸收正負電流脈沖(調頻應用)。由于電動汽車的應用領先于電網儲能應用,因此最大限度地提高電池的能量含量是電芯均衡的首要目標。

 

3、電芯均衡算法評價

 

在不均衡的情況下,并不是所有的電芯容量都被完全利用,剩余的能量必須通過均衡電路重新分配。均衡電路通常能夠調整單個電芯或電芯塊的能量水平。一般有兩種均衡系統:耗散均衡系統(被動均衡)和非耗散均衡系統(主動均衡)。主動均衡在不造成較大損失的情況下將能量從一個電芯或電芯塊轉移到另一個電芯。幾乎所有的主動系統都需要大量的電力電子器件,如線圈、電容器和場效應晶體管以及相應的控制方案。導致額外的重量和成本,因此在商業應用中使用主動均衡系統較少。被動均衡系統由一個電阻和一個與電芯并聯的電氣開關實現,由于其簡單性和成本優勢而受到青睞,被動均衡通過放電來調節單個電芯或電芯塊的能量水平。下面將對常用的被動均衡技術進行實際評估。

 

一般有三種均衡算法:基于SOC的均衡算法、基于模型的均衡算法和基于電壓的均衡算法。

 

基于SOC的均衡算法

基于SOC的均衡是最精確的,因為理論上它根據定義利用了所有電荷。然而,基于SOC的均衡算法實際效果很大程度上取決于SOC的準確性。SOC是一種不能直接測量的狀態,SOC通常采用估計技術(卡爾曼濾波、神經網絡等)和安時積分。即使這些方法能夠在電池生命周期開始時提供準確的結果,但是在運行過程中精度會迅速下降,估計誤差往往會超過2-3%(國內BMS的SOC估計誤差估計在5%)。目前最先進的鋰離子電池的相對參數方差遠遠低于1%,這使得使用不準確的SOC值作為均衡輸入參數是不夠的。

 

基于模型的均衡算法

鋰離子電池的一個重要特性是SOC與開路電壓(OCV)之間的非線性關系,如圖1所示。OCV隨著SOC的增加而增大。這種關系是由鋰離子電池正極和負極材料的電位決定的。當有電流負載時,歐姆電阻、轉移阻抗和雙電層效應導致出現過電位,因此測量到的端電壓(非OCV)并不能直接反映實際SOC。基于模型的均衡利用電芯模型來估計電芯的過電位,就有可能使用電流負載下的端電壓來實現SOC平衡。然而基于模型的均衡算法與基于SOC的平衡算法有著相同的缺點,鋰離子電池的非線性特性使其很難實現魯棒和精確的模型,因為所有的模型參數在SOC范圍內、不同的溫度范圍內、特別是在使用壽命內都會發生變化。


帶你讀懂鋰離子電池均衡電路

圖1 NMC/石墨電芯的OCV曲線和等效電路模型

 

基于電壓的均衡算法

最可能實際應用的的均衡算法是基于電壓的均衡算法,因為每個電池系統都會監測電芯電壓。通常在充電過程中通過均衡電路調整電芯電壓。然而端電壓不一定反映SOC,因此負載下的電壓均衡可能會進一步惡化電池包的不均衡。這種不均衡取決于實際的充電電流、電芯的過電位和OCV的斜率。降低電流可以緩解這個問題,因此恒壓(CV)充電階段適合進行電芯均衡。然而,由于短板電芯的充電結束電壓通常是充電器電流控制的輸入,所以短板電芯的電壓不能被扭曲,因此也不建議在CV階段進行電壓平衡。

 

由于先進鋰離子電池質量的提高,其內部參數變化很小。此外,電池包內的溫度梯度可以通過特定的設計措施(熱管理系統)來緩解。以上因素均減小了電芯電壓差異,但是電芯電壓差異還是存在,因為其是不可消除的。充電結束靜置相當長一段時間后電芯的過電位消除,此時端電壓反映了電芯SOC,通過將所有電芯的電壓放電至電池包內最小電芯電壓,此過程只消耗一小部分的放電能量,因此只要不經常進行這種電壓平衡就認為是可以接受的。

 

4、結論


由于制造公差,鋰離子電池在容量、阻抗和自放電率方面表現出差異,這導致電池包中的電壓差異,該電壓差異限制了可達到的放電能量,并且在存在溫度梯度時可能進一步惡化。為了最大化電池包的能量含量,通常使用具有旁路電阻器的被動電路。

 

建議在電池包完全充電后的休息期間應用電壓均衡,在此過程中將所有電芯電壓放電調節到與串聯電池包內的最小電芯電壓一致。


稿件來源: 鮑教授說電池
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