【技术】 如何解决电动汽车电池包无规律的电池单元老化问题？
|
随着电动汽车的数量和行驶时间的不断增长，电池包内无规律的电池单元老化正在成为一个长期问题。 对EV或PHEV而言，性能等同于电池动力支持的可行驶距离。EV和PHEV供应商不仅要提供高电池性能，还要提供数年的包括最短行驶距离的保修服务，以保持竞争力。随着电动汽车的数量和行驶时间的不断增长，电池包内无规律的电池单元老化正在成为一个长期问题。 由串联连接、高能量密度、高峰值功率的锂聚合物或磷酸铁锂(LiFePO4)电池单元组成的大电池包，广泛用于从纯电动车辆(EV或BEV)、油电混合动力车辆(HEV)、插电式混合动力车辆(PHEV)到能源存储系统(ESS)的各类应用中。特别是电动汽车市场，预计会对大型串联/并联电池单元阵列产生巨大需求。2016年全球PHEV汽车销量为77.5万辆，预计2017年销量为113万辆。尽管对大容量电池单元的需求不断增长，电池价格仍然相当高，构成EV或PHEV中价格最高的组件，支持续航小几百公里的电池价格通常在10，000美元左右。高成本可以通过使用低成本/翻新的电池单元来化解，但此类电池单元也将具有更大的容量不匹配性，进而减少单次充电后的可用运行时间或可行驶距离。即便是较高成本、较高质量的电池单元，重复使用后也会老化且不匹配。提高具有不匹配电池单元的电池包容量有两种办法：一种是从一开始就使用更大的电池，但这样做的性价比不高;另一种是使用主动均衡，这是一种新技术，可以恢复电池包中的电池容量，快速增强动力。 全串联电池单元需要均衡 当电池包中的每个电池单元具有相同的充电状态(SoC)时，我们说电池包中的电池单元是均衡的。SoC是指当电池充电和放电时，单个电池的当前剩余容量相对于其最大容量的比例。例如，一个10安时的电池单元若有5安时的剩余容量，则其SoC为50%。所有电池单元都必须保持在某一SoC范围内，以避免损坏电池或缩短寿命。SoC的允许最小和最大值因应用而异。在电池运行时间至关重要的应用中，所有电池单元可以在20%的最小SoC和100%的最大SoC(或满电状态)之间工作。需要最长电池寿命的应用可能会将SoC范围限制在最小30%到最大70%之间。这些是电动汽车和电网储存系统的典型SoC限制，它们使用非常大且昂贵的电池，更换成本极高。电池管理系统(BMS)的主要作用是严密监控电池包中的所有单元，确保没有任何电池单元充电或放电超出该应用的最小和最大SoC限值。 对于串联/并联电池单元阵列，一般可以认为并联连接的电池单元彼此之间会自动均衡。也就是说，随着时间推移，只要电池单元端子之间存在导电路径，并联连接的电池单元之间的充电状态就会自动均衡。同样可以认为，串联连接的电池单元的充电状态会随着时间推移而出现差异，原因有多方面。整个电池包中的温度梯度、阻抗、自放电速率或各电池单元负载之间的差异，可能导致SoC逐渐变化。尽管电池包充电和放电电流有助于使这些电池单元间差异变小，但除非周期性地均衡电池单元，否则累积的不匹配性将会有增无减。补偿电池单元的SoC渐变是均衡串联电池的最基本原因。通常情况下，被动或耗散均衡方案足以重新均衡电池包中容量接近的电池单元的SoC。 图1. 电池单元均衡典型拓扑结构 如图1所示，被动均衡既简单又便宜。然而，被动均衡也非常缓慢，会在电池包内部产生有害的热量，均衡结果是将所有电池单元的剩余容量减少到与电池包中SoC最低的电池单元一致。此外，被动均衡缺乏能力有效解决另一种常见现象——容量不匹配引起的SoC误差。所有电池单元在老化时都会损失容量，损失速率往往不同，原因类似于串联电池单元的充电状态随着时间推移而出现差异。电池包电流均等地流入和流出所有串联电池单元，因此电池包的可用容量取决于电池包中容量最低的电池单元。只有图1b和图1c所示的主动均衡方法可以让电荷在整个电池包中重新分配，补偿电池单元间不匹配所造成的容量损失。 电池单元间不匹配会显著缩短运行时间 图2. 电池单元间不匹配导致电池包容量损失的例子 电池单元间的容量或SoC不匹配可能会严重降低电池包可用容量，除非均衡电池单元。为使电池包容量最大化，要求在电池包充电和放电期间，电池单元是均衡的。在图2所示的例子中，一个10单元串联电池包由(标称)100 安时电池单元组成，最小容量单元与最大容量单元的容量误差为±10%，对该电池包充电和放电，直至达到预定SoC限值。如果SoC值限制在30%和70%之间，并且不进行均衡，则经过一次完全充电/放电循环之后，电池包可用容量相对于理论可用容量减少25%。被动均衡理论上可以在电池包充电阶段均衡各电池单元的SoC，但在放电期间，无法阻止第10个单元先于其他单元达到30%的SoC水平。即使在电池包充电期间进行被动均衡，在电池包放电期间也会损失可观的容量(不可用)。只有主动均衡解决方案才能恢复容量，在电池包放电期间将电荷从高SoC单元重新分配给低SoC单元。 |
