让车用电池续航力极大化
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由串联、高能量密度、高峰值功率锂聚合物或锂铁磷酸(LiFePO4)电池组成的大型电池组被普遍应用于纯电动车(EV或BEV)、混合燃气/电动车(HEV和插电式混合电动车或PHEV)以至于储能系统(ESS)中。根据EVvolumes.com预测，电动车市场对于大规模串联/并联电池组的需求将越来越大。2016年全球PHEV销量为77.5万台，预计在2017年将成长至113万台。 儘管对于高容量电池的需求日益成长，电池价格依然很高，而且是EV或PHEV中价格最高的元件，续航力达几百公里的电池价格基本上都超过10,000美元。对付高成本的策略可以使用低成本/翻新的电池来减轻成本压力，但随之而来的问题是这类电池会有较大的容量不匹配问题，从而减少可使用时间，或导致一次充电后的行驶距离缩短。即使成本较高、品质更好的电池也会老化，而不断的重复使用也会导致电池无法配合。 有两种方式可以为不匹配的电池提高电池组的容量，其一是一开始就採用较大的电池，但这种做法非常不符合成本效益;第二种方式是主动平衡，这种新技术可以恢復电池组的电池容量，而且正日趋普及中。 串联电池必须保持平衡 平衡的电池是指电池组中的每颗电池都具备相同的电荷状态(state of charge;SoC)。SoC是指个别电池随着充电和放电，相对于其最大容量的剩余容量。例如：剩余容量为5A-hr的10A-hr电池具有50%的SoC。所有的电池都必须保持在某个SoC範围之内，以避免受损或使用寿命缩短。根据应用的不同，可容许的SoC最小值和最大值也会不同。 在最重视电池续航时间的应用中，所有电池都可以在20%的SoC最小值和100%的最大值(充饱电状态)之间工作。而要求最长电池寿命的应用则可能将SoC範围限制在30%最小值和70%最大值之间。这些典型的SoC限制经常出现在电动车和电网储存系统中，因为这些应用需要非常大型和昂贵的电池，且更换费用极高。电池管理系统(BMS)的主要作用就在于仔细监测电池组中的所有电池，确保每一颗电池的充电或放电都不超出该应用SoC限制的最小值和最大值。 採用串联/并联电池阵列时，并联连接电池之间会相互自动平衡，这种假设一般来说是对的。也就是说，随着时间推移，只要电池接线端子之间存在传导通路，那么在并联连接的电池之间就会自动平衡电荷状态。此外，还可放心地假设：串联连接电池的SoC将由于某些塬因，而随着时间进展出现歧异。 由于在整个电池组出现温度梯度现象，或者电池之间的阻抗、自放电速率或载入不同，SoC会逐步发生变化。儘管电池组的充电和放电电流可使得电池之间的这些变异显得不那么重要，但是累积起来的不匹配将会越来越大，除非对电池进行週期性的平衡。为了平衡串联连接电池，最基本的塬因就是补偿各颗电池SoC的逐步变化。通常，在各颗电池严密匹配容量的电池组中，採用被动或耗散电荷平衡制，就足以使SoC重新达到平衡。 如图1a所示，被动平衡十分简单而且成本低廉，但其速度非常缓慢，而且会在电池组内部会产生多余的热。平衡则是透过降低所有电池中的剩余容量，以便与电池组中SoC值最低的电池相匹配。由于另一种常见的容量不匹配，被动平衡也缺乏有效因应SoC误差的能力。所有的电池都会随着效能煺化导致容量减少，而且电池容量减少的速率也往往是不同的。因为流进和流出所有串联电池的电池组电流是相等的，所以电池组的可用容量由电池组中容量最低的电池决定。只有採用主动平衡方法(如图1b和1c所示的方法)，才能为整个电池组重新分配电荷，以及补偿由于不同电池之间不匹配而损耗的容量。 图1：典型的电池平衡拓扑 电池间不匹配导致续航时间大幅缩短 电池之间无论是容量还是SoC不匹配都可能严重缩短电池组的可用容量，除非这些电池是平衡。为了最大限度地提高电池组的容量，就必须在电池组的充电和放电期间让电池维持平衡。 在图2所示的例子中，电池组由10颗电池串联组成，每颗电池的容量为100A-hr(标準值)，容量最小与最大的电池之间容量误差为±10%，对该电池组充电与放电，直至达到预定的SoC限制。如果SoC值限制在30%至70%之间，而且未能进行容量平衡，那么在相对于这些电池的理论可用容量下进行一次完整的充电/放电週期后，可用的电池组容量降低了25%。 在电池组充电阶段，被动平衡理论上可以让每颗电池的SoC相同，但在放电时，却无法避免第10号电池在其他电池之前达到30%的SoC值。即使在电池组充电时採用被动平衡，电池组的放电期间也会明显损失容量(容量不可用)。只有主动平衡解决放案才能实现容量恢復，其方式是在电池组放电时从较高SoC值向低SoC值的电池重新分配电荷。 图2：由于电池之间不匹配而导致电池组容量耗损的例子 图3说明如何採用理想的主动平衡，让由于电池之间不匹配而耗损的容量实现100%的復塬。在稳定状态使用时，当电池组从70% SoC的「满」再充电状态放电时，实际上必须从第1号电池(容量最高的电池)取出所储存的电荷，将其转移到第10号电池(容量最低的电池)，否则第10号电池会在其他电池之前达到其30%的最低SoC点，而且必须停止电池组放电，以避免进一步缩短寿命。 |
