【導(dǎo)讀】一位工程師最近想將私家車改造為一輛電動(dòng)車 (EV),而作為一名工程師,他覺(jué)得無(wú)論如何要搞定它。。由于沒(méi)有足夠的預(yù)算來(lái)進(jìn)行全面改造,車輛的平衡性、操控性很差,并有安全隱患。而他原來(lái)的電池也就不太適合他的新項(xiàng)目了,可是面對(duì)這樣的問(wèn)題電源,這樣的問(wèn)題電池應(yīng)該怎么管理,怎么處理呢?
圖1顯示的是我收到的電池;我只知道這些電池是從一輛改造后的保時(shí)捷944 EV上卸下來(lái)的,充/放電大約200次。電池賣家對(duì)于改造后的性能不太滿意。他把改造不成功的原因主要?dú)w咎于沒(méi)選好車輛的形狀。由于沒(méi)有足夠的預(yù)算來(lái)進(jìn)行全面改造,車輛的平衡性、操控性很差,并有安全隱患。因此,他打算從頭來(lái)過(guò),設(shè)計(jì)一款全新車輛。而他原來(lái)的電池也就不太適合他的新項(xiàng)目了,但是對(duì)于我來(lái)說(shuō)足夠用了,并且價(jià)錢只有新電池的三分之一。僅僅作為一名低用量用戶,我沒(méi)有接觸過(guò)最佳的鋰離子電池技術(shù),如果選擇了二手電池,那么我也不知道它們是否曾經(jīng)用在同一電池組或環(huán)境中。我只能有多少錢就辦多少事了。我不知道組成電池組的數(shù)個(gè)串聯(lián)在一起電池是否是同時(shí)生產(chǎn)的!但是我能找到節(jié)省大筆開(kāi)銷的二手電池— 機(jī)不可失,失不再來(lái)。
圖1 – 二手160Ah LiFePO4電池
如你所見(jiàn),到貨時(shí),這些電池屬于不同的分組,其原因是它們遍布在車輛全身,只要有地方就行,機(jī)蓋下方和后門都有。我不知道這些電池是何時(shí)購(gòu)買的(一塊兒買的還是分開(kāi)買的),這些電池曾經(jīng)在何種溫度下工作,是否由電池管理系統(tǒng) (BMS) 進(jìn)行監(jiān)視和/或管理,以及它們的充電方式。
正常情況下,由于來(lái)自電池生產(chǎn)線,為原廠設(shè)備制造商 (OEM) EV使用而生產(chǎn)的全新電池組由良好匹配的單電池構(gòu)成,并且直接組裝。這些單電池將始終是同時(shí)充電,一起使用,并且用同樣的算法進(jìn)行管理。大多數(shù)OEM應(yīng)用還有一些類型熱管理的功能,以確保電池組中的所有單電池在運(yùn)行環(huán)境中保持同樣的運(yùn)行狀態(tài)。
由于會(huì)導(dǎo)致單電池阻抗的變化,溫度對(duì)單電池的性能會(huì)產(chǎn)生最大的影響。如果對(duì)所有單電池施加相等的負(fù)載,但是某些單電池處于不同溫度中的話,它們將會(huì)受到電池材料額外膨脹和收縮的影響。這都會(huì)導(dǎo)致非常不同的老化特征。其結(jié)果是充電不匹配,其原因就是單電池的老化速度不同;很快就會(huì)出現(xiàn)容量不匹配。如果聽(tīng)之任之,電池組總?cè)萘繒?huì)受到最低單電池電壓的限制,從而導(dǎo)致車輛行駛里程的降低。
基本電池組設(shè)計(jì)原則:
當(dāng)?shù)谝粋€(gè)單電池充滿電時(shí),必須停止充電。
當(dāng)?shù)谝粋€(gè)單電池?zé)o電時(shí),放電必須終止。
弱蓄電池節(jié)比強(qiáng)蓄電池老化得更快。
弱蓄程度最高的電池節(jié)將最終限制電池組的可用電量(最弱環(huán)節(jié))。
電池組中的系統(tǒng)溫度梯度使運(yùn)行在較高平均溫度的電池節(jié)變?nèi)酢?/div>
在不使用均衡的情況下,在每個(gè)充放電周期中,最弱蓄和最強(qiáng)蓄單電池之間的電壓差將增加。最終,其中一個(gè)單電將始終接近最大電壓,而另外一個(gè)單電池接近最低電壓→從而阻礙了電池組的充放電能力。
由于這些電池再也不會(huì)像它們最初使用時(shí)那么相互匹配,而且由于我的安裝方式將使它們處于不同的溫度環(huán)境中,我必須做好單電池均衡。
鋰離子電池主要出現(xiàn)兩種不匹配;充電不匹配和容量不匹配(請(qǐng)見(jiàn)圖2)。充電不匹配在容量相同的單電池所容納的充電量逐漸差生差別時(shí)出現(xiàn)。容量不匹配出現(xiàn)在同時(shí)使用初始容量不同的電池節(jié)時(shí)。由于電池組通常由幾乎在同一時(shí)間生產(chǎn)的單電池組裝而成,這些單電池的制造工藝也相差無(wú)幾,所以單電池通常情況下匹配良好,只有充電普匹配會(huì)比較常見(jiàn)。然而,如果電池組由來(lái)源不明的單電池組裝而成,或者在制造工藝方面差別很大的話,也有可能出現(xiàn)容量不匹配。
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主要有兩種電池均衡:被動(dòng)均衡和主動(dòng)均衡。這里列出了基本功能和它們各自的優(yōu)缺點(diǎn):
被動(dòng)均衡:
實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單(硬件和軟件)
廉價(jià)
降低了充電不匹配
小均衡電流(小于1A)
發(fā)熱-浪費(fèi)電能!
主動(dòng)均衡:
效率更高
增加可用容量
減少充電和容量不匹配效應(yīng)
更快的電池組充電時(shí)間
可在充電和放電過(guò)程中工作
較大的均衡電流(大于1A),以快速均衡大電池
更長(zhǎng)的電池組使用壽命
混用/匹配全新/舊模塊
可使用模塊內(nèi)的不匹配單電池(增加產(chǎn)量)
看起來(lái)主動(dòng)均衡才是正道!
我決定使用手邊的最積極主動(dòng)的TI BMS。為了確保我始終能夠從電池組獲得最大電量,所有單電池之間的電壓差保持在毫伏以內(nèi)。由TI EM1401EVM電路板管理的電池使用全部TI部件來(lái)提供5A主動(dòng)電池均衡(我設(shè)計(jì)的工作方式)。
圖3顯示了基本架構(gòu)。其中一個(gè)BMS電路板被安裝在電池節(jié)旁邊,管理每個(gè)模塊或電池組。
下面是這一車輛的主要技術(shù)規(guī)格:
51x160Ah Thundersky LiFePO4電池,以如下方式排列在車輛內(nèi)的5個(gè)模塊中:
機(jī)蓋下:一個(gè)12節(jié)模塊和一個(gè)6節(jié)模塊(請(qǐng)見(jiàn)圖4)
在車后底板下(替代了郵箱和備胎):3個(gè)模塊,每個(gè)模塊11個(gè)電池節(jié)(請(qǐng)見(jiàn)圖5)
大約170V滿充電壓:27kWh
1000A水冷DC電機(jī)控制器
大約150kW滿功率:大約200hp,250ftlbs
汽車凈重2900lbs
續(xù)航里程大約80英里
儀表板改為安卓ODROID板,以及顯示實(shí)時(shí)功率、電壓、電流和每英里耗電量的7英寸觸摸屏
消耗的電量大約在每英里250Wh到每英里325Wh之間