鋰離子電池均衡的What和How
發布時間:2019-06-14 10:03:53
關鍵詞:動力電池 鋰電池

鋰離子電池均衡的What和How


在這篇文章中討論了一個經常被忽視的主題——均衡策略。大多數科學論文涉及不同的電氣方案以最大限度地增大均衡電流,然而均衡的另一個重要因素是決定作用于哪個電芯的電流:這就是所謂的均衡策略。本文分為三章:第一章討論了需要均衡的原因;第二章概述了可能的有源均衡電路,接著是第三章給出了不同電路可能的均衡策略。

 

1、為什么需要均衡?

 

在討論均衡策略之前,首先理解為什么需要均衡是很重要的。固定能量存儲應用或電動汽車的電池包,如特斯拉(Tesla) Model 3,需要由數千個單體電池組成。串聯和并聯電芯的數量由應用決定。通常,電力電子的標稱電壓決定了串聯電芯的數量,應用的總功率和能量需求以及應用電芯的電學特性決定了并聯電芯的數量。不同規格的電芯具有不同的優勢,例如應用大容量電芯比小容量電芯更容易組裝,并且需要的監視也更少。小容量電芯相對于大容量電芯的優點是靈活性、安全性和可靠性。電池包的老化行為與電芯容量無關,通常源自單個電芯。

 

實際上,由于制造公差的不同,比如電極厚度和整體組件連接性的不同,電芯的特性會略有不同。由于制造精度有限,即使是同一批次的電池,其初始容量和阻抗也各不相同。這些參數偏差呈高斯分布。此外,與初始分布相比,循環老化增加了電芯參數的方差,即使在相同的老化條件下,電芯參數的差異也會增加。

 

由于這種電芯間的偏差,電池組中的電芯電壓監測是一項至關重要的任務。特別是保持電芯電壓在充電結束和放電結束的限制是至關重要的,以防止安全隱患和電芯過早退化。由于參數的變化,電池串中的一個電芯塊比其他電芯塊更早達到這些限制。假設每個電芯塊在放電過程的開始就充滿了電,當放電時,通常容量最小和/或阻抗最高的電芯塊首先達到放電結束的標準,因此未使用的容量保留在剩余的電芯塊。當再次充電時,類似的問題也會發生。電池串中的一個電芯塊將先于其他電芯塊到達充電結束條件,并使它們處于未完全充電的狀態。因此串聯是導致電池容量降低的原因。除了上述的內在容量和阻抗變化,自放電率的偏差也影響電芯塊電壓的差異。隨著電池串中電芯塊間電壓偏差的增大,可利用容量進一步受到限制,最終使電池壽命比電芯短。例如冷卻不足等外部因素導致電芯間產生溫度梯度等,會導致電芯塊不同的功率和容量衰減,進而限制電池容量。均衡系統通常通過影響電池電壓來使得每個電芯塊都能夠達到的充電結束電壓或充電結束和放電結束電壓,進而增加可用容量和壽命。

 

2、均衡電路概覽

 

一般來說,均衡電路可分為有源電路和無源電路。無源均衡電路的特點是沒有任何開關來控制電路,因此它們不適用于均衡策略,因為均衡負載不受影響。另一方面,主動均衡電路允許通過主動啟用或禁用均衡過程來影響均衡過程。圖1對最常見的有源均衡電路進行了分類和總結。通過重新分配負載的方式,可以區分出五個主要類別。在類別下面列出了一些常見實現的摘錄,每個實現都根據以下三個特征進行標記:


鋰離子電池均衡的What和How

圖1 主動均衡方法分類

 

非耗散解決方案試圖重新分配電池內的電荷,以減小電池的不均衡和能量損失。相反,耗散解將多余的能量轉化為系統不可用熱量。在這個概述中,只有旁路電阻和旁路晶體管是耗散均衡電路。

 

雙向解決方案能夠將能量轉移到電芯,也能將能量轉移到電芯外,從而實現電池的均衡。雙向解決方案的優點是增加了額外的自由度:均衡電流的方向,這允許增加或減少電芯的負載。

 

電芯獨立解決方案考慮所有實現,這些實現允許獨立地控制每個電芯的均衡過程。這一功能提供了最大的靈活性,因為單個電芯可以充電,其他電芯可以同時放電。

 

3、均衡策略

 

最優均衡策略應以最大化可用容量和保證電池的均勻及最小化老化為目標。為了最大限度地提高電池的可用容量,均衡策略應保證電池中的每個電芯同時達到充電結束和放電結束的標準。為了避免加速和不均勻老化,均衡策略應降低電芯間的溫度梯度。下文將討論如何結合均衡電路和均衡策略來實現這兩個目標。

 

耗散型均衡電路策略

 

耗散均衡電路是最先進的,因為它們簡單而經濟。不利的是它們的最低自由度,它們只能對電芯進行放電。由于其耗散特性,通常充電時進行均衡,以避免額外的損失。耗散均衡電路可以實現三種可能的策略:

 

頂部均衡應用于充電過程的末尾。當電池串中第一個電芯塊達到充電結束電壓時,停止充電,在一定的弛豫時間后,測量電壓最低的電芯塊與其他電芯塊之間的電壓差。Kindermann等人研究表明,文獻中的弛豫時間跨度在1 ~ 24小時之間。弛豫時間是為了讓電芯的過電位衰減以便測量開路電壓(OCV)。下一步,電壓較高的電芯塊被旁路放電到電芯電位最低的電芯塊的電壓水平。之后電池再次充電,直到其中一個電芯塊再次達到充電結束電壓。這個過程可以重復應用,直到一個停止條件。正常情況下,目標電壓差極限是在充電過程結束時達到的。

 

連續均衡試圖消除充電過程中的電壓差異。這種方法比頂部均衡更困難,因為必須考慮電芯的過電位。因此需要一個模型,例如等效電路模型(ECM)來消除由阻抗引起的電壓差。這種方法的優點是節省時間,因為不需要額外的時間來松弛電芯。

 

底部均衡遵循與頂部均衡類似的策略。在放電周期結束時,當第一個電芯塊達到放電電壓結束時,該電芯塊被均衡。經過一定的弛豫時間后,電壓較高的電芯塊被旁路放電到電壓最低的電芯塊的電壓水平。同樣弛豫時間是為了讓電芯的過電位衰減以便測量開路電壓(OCV)。這個過程重復進行,直到電芯塊之間的電壓差達到一個目標極限。之后均衡的電芯塊再次充電。

 

均衡電流的范圍取決于電芯塊之間的電壓分布和可用的均衡時間。均衡時間越短,電芯塊之間的不均勻性越大,均衡電流就越大。對于具有旁路電阻的耗散均衡電路的典型應用,均衡電流固定在200mA以下。這種大小的均衡電流不足以影響電芯產熱。旁路晶體管均衡電路允許通過調節晶體管電阻來調整均衡電流。然而,即使均衡電流足夠大,溫度梯度也只能通過增加較冷電池的溫度來降低。在溫和的操作條件下,這將導致更均勻的老化,但有加速老化的風險。因此,度電芯塊之間的最小溫度梯是不可能通過耗散均衡電路實現的。

 

非耗散型均衡電路策略

 

非耗散電路能夠在電芯之間重新分配電荷,因此均衡過程不會浪費能量和產熱,充電過程和放電過程均可進行均衡。由于均衡電路的不理想特性只有一小部分重新分配的能量發生損失。均衡電壓差是通過將電荷從高電壓的電芯塊轉移到低電壓的電芯塊來實現的,因此電池的可用容量增加了。由于電芯之間的初始差異很小,均衡電流也很小,但可能隨著老化增長而增加。均衡電流可應用于所有工作狀態,因此需要一個模型來考慮電芯過電位,就像在連續均衡的情況下一樣。

 

此外,電荷的重新分布使非耗散電路能夠影響電池塊的產熱,這使得可以通過降低電芯塊在較高溫度下的負荷來追求均勻和最小化老化的目標。均衡電路必須處理的電流量取決于電池的特性。Bernadi等人的研究表明,電芯產生的熱量與極化熱有關,極化熱是電芯過電位和電流的乘積。過電位是由歐姆損耗、電荷轉移過電位和傳質限制引起的,這取決于電池的設計和活性材料。

 

均衡電路的效率是另一個影響因素。用于非耗散電路的轉換器,通常具有與負載相關的效率,當運行在相對較低的負荷時,轉換器的效率很低,并表現得幾乎像耗散電路。因此,均衡電路的設計以及均衡電路應處理的最大和最小負載起著重要的作用。

 

4、結論

 

最先進的耗散均衡電路,如旁路電阻電路,如果滿足以下假設:首先熱管理是精心設計的,避免電芯塊之間的溫度梯度,避免導致電芯不均勻老化。其次電池容量和電阻的電池參數變化在電池的使用壽命內必須保持足夠小,因而不會造成電芯塊之間的電壓偏差過大限制電池的可用容量。在這兩個假設下,通過均衡消耗的能量最小,均衡電流相對較低。此外,通常不需要模型或復雜的策略來均衡。

 

然而如果違反一個假設,非耗散均衡電路的開銷是合理的,因為它能夠降低電壓和電芯塊之間的溫度梯度,從而增加可使用容量,并保證均勻老化。為了實現同時追求溫度和電壓梯度降低這兩個目標的策略,需要對熱和電參數進行建模。如果考慮電池和冷卻系統之間的相互作用,模型的復雜性會隨著電池中電芯數量的增加而增加。除了電芯參數外,均衡電路與負載電流相結合的變換器設計也至關重要。


稿件來源: 鮑教授說電池
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