動力電池組特性分析與均衡管理

電池組有區(qū)別于單體電池的額外特性,基于目前的動力電池設(shè)計與制造技術(shù)水平,單體之間的性能差異在其整個生命周期里客觀存在,要想避免單體由于過充、過放導(dǎo)致提前失效,使電池組的功能和性能指標達到或者接近單體的平均水平,對電池組中單體之間實現(xiàn)均衡控制和管理是必由之路.電池組均衡管理是一門先進的電池組使用技術(shù),需要結(jié)合動力電池電化學(xué)模型、電子電源和計算機控制等多學(xué)科技術(shù)的最新研究成果,進行創(chuàng)新設(shè)計.

前言

被認為是未來汽車的電動汽車是電動源、電機和整車三大技術(shù)的結(jié)合體,電動源是電動汽車的核心部件,目前已經(jīng)形成動力鋰離子電池及其專用材料的開發(fā)熱潮.做為一種新型的動力技術(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)問題,從涂膜開始到成品要經(jīng)過多道工序,即使每道工序都經(jīng)過嚴格的檢測程序,使每只電池的電壓、內(nèi)阻、容量一致,使用一段時間以后,也會產(chǎn)生差異,使得鋰動力電池的使用技術(shù)問題迫在眉睫,而且必須盡快解決.

動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,首要原因當推過充和過放導(dǎo)致單體電池提前失效.本文結(jié)合鋰動力電池特性、電子電源、計算機控制技術(shù)研究動力電池組的使用技術(shù),探討動力電池組的均衡控制和管理.

1 動力電池主要性能參數(shù)

1.1 電壓

開路電壓=電動勢+電極過電位,工作電壓=開路電壓+電流在電池內(nèi)部阻抗上產(chǎn)生的電壓降.電動勢由電極和電解質(zhì)材料特性決定,電極的過電位與材料活性、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(nèi)阻

電池在短時間內(nèi)的穩(wěn)態(tài)模型可以看作為一個電壓源,其內(nèi)部阻抗等效為電壓源內(nèi)阻,內(nèi)阻大小決定了電池的使用效率.電池內(nèi)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,又稱交流電阻,在同一充放電周期內(nèi),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(xiàn)出的抵抗反應(yīng)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(nèi)阻過大或過小者都不正常,內(nèi)阻過小可能意味材料枝晶生長和微短路,內(nèi)阻太大又可能是極板老化、活性物質(zhì)喪失、容量衰減,內(nèi)阻變化可以作為電池裂化的充分性參考依據(jù)之一.

1.3 溫升

電池溫升定義為電池內(nèi)部溫度與環(huán)境溫度的差值.多數(shù)鋰電池充電時屬吸熱反應(yīng),放電時為放熱反應(yīng),兩者都包含內(nèi)阻熱耗.充電初期,極化電阻最小,吸熱反應(yīng)處于主導(dǎo)地位,電池溫升可能出現(xiàn)負值,充電后期,阻抗增大,釋熱多于吸熱,溫升增加,過充時,隨不可逆反應(yīng)的出現(xiàn),逸出氣體,內(nèi)壓、溫升升高,直到變形、爆裂.

1.4 內(nèi)壓

電池內(nèi)部壓力,由于電池內(nèi)部反應(yīng)逸出氣體導(dǎo)致氣壓增大,氣壓過大將撐破殼體和發(fā)生爆裂,基于安全考慮,一方面鋰電池都設(shè)計了單向的防爆閥門,一方面用塑殼制造.析氣反應(yīng)常伴隨著不可逆反應(yīng),也就意味著活性物質(zhì)的損失、電池容量的下降,無析氣、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,對于動力電池側(cè)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力驅(qū)動能力,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,又稱剩余電量,常取其與額定容量或?qū)嶋H容量的比值,稱荷電程度.是人們在使用中最關(guān)心的、也是最不易獲得的參數(shù)數(shù)據(jù),人們試圖通過測量內(nèi)阻、電壓電流的變化等推算荷電量,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(tǒng)計數(shù)據(jù)的有效支持,指示的荷電程度總是非線性變化

1.7 容量

電池在充足電以后,開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,故容量定義為小時率容量,動力電池常用1小時率(1C)或2小時率(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,化成過程開始后,電池進入其生命期,在整個生命期里, 電池的活化和劣化過程是一個問題的兩個方面,初期活化作用處于主導(dǎo)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,容量衰減,規(guī)定容量衰減到一定比例(60%)后,電池壽命終結(jié).

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.電動汽車用動力電池組的負載是電機控制器,電機控制器根據(jù)車速變化調(diào)整輸出功率,短時間來看,電池組驅(qū)動的是恒功率負載,這個功率變化的范圍極大,制動時有與加速時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.對于電動汽車,續(xù)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(jù)能量守恒定律,電池組輸出的能量轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化為有效動力,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,可保證不過充、過放,也就不會提前失效,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力鋰電池的實用化進程.提供者強調(diào)每只電池的電壓不可超越規(guī)定的限值,電池組的壽命應(yīng)該是各單體電池壽命的最小者,其值應(yīng)該與單體平均壽命相差不會太多,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(shù)量乘積,實際限制的是單體平均電壓,組內(nèi)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(nèi)阻的差異性總是客觀存在的,過充過放無法避免,并且一旦發(fā)生相關(guān)電池將很快報廢,因此就出現(xiàn)專家組測試的電動汽車動力電池組的壽命還沒有突破過百次.

1.11 安全

動力電池的工作條件苛刻,主要的安全問題是電池自身爆炸、燃燒和導(dǎo)致的電火,在電動汽車研發(fā)進程中,發(fā)生過多次起火事件,對電動汽車的發(fā)展造成了負面影響,通過多種渠道了解,在這些事故中,有電池自燃的,有車輛被燒毀的,甚至動用消防隊滅火,許多單位顧忌影響而施行保密策略,事發(fā)第一現(xiàn)場很難到場,總結(jié)這些不完全的事故信息,初步有以下推斷:
· 長期在庫存的電池未發(fā)生過自燃和爆炸,運輸過程中也沒出現(xiàn)自燃的;
· 電池爆炸發(fā)生于充電后期或已經(jīng)結(jié)束,充電設(shè)備和方法難脫干系;
· 外部電路短路可以造成強電弧或使導(dǎo)線燃燒,也可以導(dǎo)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充過放;
· 過充電可能使電池變形、失效、燃燒、甚至爆炸,過放電(反充電)一次足以使電池報廢;
· 一些受試電池通過了苛刻的用沖鋒槍射擊、擠壓破裂短路、水淋、水泡等安規(guī)測試.

總之,電池的正確使用技術(shù)是非常重要的.

2 動力電池組充放電特性

以單體電池為動力源如移動電話,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,其差異性永不會趨于消失,而是逐步惡化的.組中流過同樣電流,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,而容量小者總是處于大電流過充過放、趨于容量衰減加快、壽命縮短,兩者之間性能參數(shù)差異越來越大,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充電和過放電過程.

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(yīng),但溫度過低時,材料活性降低,可能提前進入恒流階段,因此在北方冬天低溫時,充電前把電池預(yù)熱可以改善充電效果.隨著充電過程不斷進行,極化作用加強,溫升加劇,伴隨析氣,電極過電位增高,電壓上升,當荷電達到約 70~80%時,電壓達到最高充電限制電壓,轉(zhuǎn)入恒壓(CV)階段.理論上并不存在客觀的過充電壓閾值,若理解為析氣、升溫就意味著過充,則在恒流階段末期總是發(fā)生不同程度的過充,溫升達到40~50攝氏度,殼體形變?nèi)菀赘袦y,部分逸出氣體還可以復(fù)合,另一些就作為不可逆反應(yīng)的結(jié)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,有稱涓流充電,大約花費30%的時間充入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 過充電

? 上述過程考慮電池組總電壓或平均電壓控制,其實總有單體電壓較高者,相對組內(nèi)其它電池已經(jīng)進入過充電階段.過充電時,若在恒流階段發(fā)生,由于電流強度大, 電壓、溫升、內(nèi)壓持續(xù)升高,以4V鋰為例,電壓達到4.5V時,溫升40度 、塑料殼體變硬,4.6V時溫升可達60度、殼體形變明顯并不可恢復(fù),若繼續(xù)過充,氣閥打開、溫升繼續(xù)升高、不可逆反應(yīng)加劇.恒壓階段,電流強度較小,過充癥狀不如恒流階段顯著.只要溫升、內(nèi)壓過高,就伴隨副反應(yīng),電池容量就會減少,而副反應(yīng)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(jié)束后的短時間里使電池內(nèi)部物質(zhì)燃燒,導(dǎo)致電池報廢.過充電加速電池容量衰減、導(dǎo)致電池失效,百害無一利.

2.3 放電

? 恒流放電時,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(dǎo)線電阻和觸點電阻,電壓繼續(xù)下降,經(jīng)過一段時間以后,到達新的電化學(xué)平衡,進入放電平臺期,電壓變化不明顯,放熱反應(yīng)加電阻釋熱使電池溫升較高.放電電壓曲線近似單體放電曲線,持續(xù)放電,電壓曲線進入馬尾下降階段,極化阻抗增大,輸出效率降低,熱耗增大,接近終止電壓時停止放電.

上述過程用恒流特性模擬負載電機,實際汽車在行使中,電機輸出功率的變化很復(fù)雜,電流雙極性變化,即使勻速行使,路面顛簸、微小轉(zhuǎn)向都使輸出功率實時變化,在短時間段里,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(guī)則的零脈沖 (無逆變功能)或負脈沖(有逆變功能,電池被充電)出現(xiàn).

2.4 過放電

考慮組內(nèi)單體電池,必有相對的過放電情況.在放電后期,電壓接近馬尾曲線,組中單體容量正態(tài)分布,電壓分布很復(fù)雜,容量最小的單體電壓跌落得也就最早、最快,若這時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)被過度放電

觀察單體過放情況,進入馬尾曲線以后,若電流持續(xù)較大,電壓迅速降低,并很快反向,這時電池被反方向充電,或稱被動放電,活性物質(zhì)結(jié)構(gòu)被破壞,另一種副反應(yīng)很快發(fā)生,過一段時間,電池活性材料接近全部喪失,等效為一個無源電阻,電壓為負值,數(shù)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,原電池電動勢消失,電壓不能恢復(fù),因此,一次反充電足以使電池報廢.

組中單體過放容易發(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、極化電壓波動足以淹沒單體電壓跌落信號,組電壓監(jiān)視失去意義.

2.5 經(jīng)濟速度與續(xù)駛里程

傳統(tǒng)汽車以經(jīng)濟速度行駛耗油最省,用百公里耗油量評價,經(jīng)濟速度由發(fā)動機效率、動力傳動效率和摩擦力決定,電動汽車也有經(jīng)濟速度,由電池使用效率、電動機和控制器效率、摩擦阻力決定,經(jīng)濟速度與電池組內(nèi)阻有直接關(guān)系,在一定范圍內(nèi)變化.以經(jīng)濟速度行駛,電動汽車能達到最大的續(xù)駛里程.固定整車和電動機,續(xù)駛里程可以考察動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,電動汽車希望動力電池組能提供大容量和高功率.

2.6 加速與爬坡

電動汽車在加速和爬坡時輸出功率大,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,電壓下降也會導(dǎo)致電機效率降低,工作條件惡劣,可能發(fā)生過強度放電,即超出電池電流輸出能力,此時電池組處于過載使用.避免過載的措施: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(wěn)行使,限制加速度.

2.7 剎車制動與逆變

只要加速度為負值,傳動機構(gòu)就可以帶動發(fā)電機發(fā)電,回饋電能可以給電池組充電,將機械動能轉(zhuǎn)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(shù)量級,取決于發(fā)電機逆變效率,加速時有過強度放電,逆變時就有可能存在過強度充電.

2.8 先進的電池組使用方法

過充過放對電池的損害都是致命的,不同之處僅在于過充產(chǎn)生大量氣體、易自燃和爆炸、表象劇烈,過放外觀變化和緩、但失效速度卻極快,在正常使用中都應(yīng)嚴格避免出現(xiàn)

鑒于相同原材料、同批次的單體電池,容量、內(nèi)阻、壽命等性能參數(shù)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程的一致性漸進逼近其它性能參數(shù)的一致性,其中最重要的參數(shù)是荷電程度;鑒于電池在未曾歷經(jīng)過過充、過放的損害,在其生命期里不容易提前失效,可以推斷,如果在充放電過程中通過能量變換的辦法實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,可以實現(xiàn)同時充足電、也同時放空電,進而,電池組的壽命應(yīng)接近于單體電池的平均壽命.

基于均衡控制,可進一步研究先進的充電方法.目前的限壓限流方法,無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(yīng)并不激烈,電池的電流接受能力最強,充電電流還應(yīng)該加大,恒流后期電池溫升、內(nèi)壓增大,電流已經(jīng)超出電池接受能力,電流應(yīng)該減小,同時,極化作用、趨膚效應(yīng)降低了材料反應(yīng)的活性, 可利用反向電流脈沖肖弱這些不利影響.

3 動力電池組的均衡控制和管理

要實現(xiàn)單體電壓的均衡控制,均衡器是電池管理系統(tǒng)的核心部件,離開均衡器,管理系統(tǒng)即使得到了電池組測量數(shù)據(jù),也無所作為,也就無所謂管理.隨著電動汽車技術(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(nèi)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(jiān)控單體電壓變化的基礎(chǔ)上,在滿足一定條件時把單體電池的充電或負載回路斷開,通過機械觸點或電力電子部件組成開關(guān)矩陣,動態(tài)改變電池組內(nèi)單體之間的連接結(jié)構(gòu),可能的斷流部件有機械、繼電器、半導(dǎo)體.電動汽車用電池組功率很大,瞬時電流可達數(shù)百安培而且雙極性變化,在考慮可行性、性價比、實用性、可靠性等諸多因素,斷流的實施難度極大,不適合在電動汽車上使用.

分流并不斷開電池的工作回路,而是給每只電池各增加一個旁路裝置,就象電池伴侶,兩者合起來的特性趨于電池組內(nèi)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,將電壓過高的單體電池通過分流轉(zhuǎn)移電能達到均衡目的,實現(xiàn)電流支路的裝置可以是可控電阻,或經(jīng)能量變換器帶動空調(diào)、風(fēng)機等耗電設(shè)備,其實質(zhì)是通過能量消耗的辦法限制單體電池出現(xiàn)過高或過低的端電壓,只適合在靜態(tài)均衡中使用,其高溫升等特點降低了系統(tǒng)可靠性,消耗能源,在動態(tài)均衡中不可能使用.

與能耗不同,回饋通過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(zhuǎn)換效率時,回饋不消耗能量,可實現(xiàn)動態(tài)均衡.回饋型具有更高的研究價值和使用價值,最有可能達到實用化設(shè)計.

3.3 能量變換器

電池電壓均衡利用能量變換裝置實現(xiàn),依據(jù)高頻開關(guān)電源(SMPS)的原理和技術(shù)設(shè)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.充電時小容量電池充入較少能量,分流電路吸收電能,放電時分流電路補充能量,能量變換器應(yīng)該實現(xiàn)雙向變換.原則上各種電源電路經(jīng)改進設(shè)計都可以實現(xiàn)雙向,最簡單的方案是用兩個電源,輸入與輸出交叉并聯(lián),兩個電路分別控制.由于受成本、體積與重量、長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)與動態(tài)

按均衡功能特點分充電、放電和動態(tài)均衡.充電均衡在充電過程中后期,單體電壓達到或超過截止電壓時,均衡電路開始工作,減小單體電流,以期限制單體電壓不高于充電截止電壓.與充電均衡類似,放電均衡在電池組輸出功率時,通過補充電能限制單體電壓不低于預(yù)設(shè)的放電終止電壓.充電截止電壓和放電終止電壓的設(shè)置與溫度有關(guān)聯(lián).與充電和放電均衡不同,動態(tài)均衡不論在充電態(tài)、放電態(tài),還是浮置狀態(tài),都可以通過能量轉(zhuǎn)換的方法實現(xiàn)組中單體電壓的平衡,實時保持相近的荷電程度.

充電均衡的唯一功能是防止過充電,而在放電使用中帶來的負面影響使得使用這種均衡得不償失:不加充電均衡時,容量小的電池被一定程度過充,組內(nèi)任何單體過放以前,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,小容量電池沒有過充,能放出的電量小于不用均衡器時輕度過充所能釋放的電能,使得該單體電池放電時間更短,過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(jù)減小或停止輸出功率時,由于大容量電池因充電均衡被充入更多電能而表現(xiàn)出較高的平臺電壓,淹沒和淡化了小容量電池的電壓跌落,將出現(xiàn)組電壓足夠高,而小容量單體已經(jīng)過放.

放電均衡與充電均衡情形相似,大容量淺充足放,小容量過充足放,加速單體性能差異性變化的結(jié)果是相同的,都不能形成真正實用的產(chǎn)品,只有動態(tài)均衡集中了兩種均衡的優(yōu)點,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,漸進達到共同的壽命終點.

3.5 單向和雙向

根據(jù)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,輸入輸出方向動態(tài)調(diào)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