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高一致性電芯才是王道,剖析電池系統(tǒng)“均衡”本質(zhì)

發(fā)布時(shí)間:2018-08-08 來(lái)源:平全文 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】系統(tǒng)“均衡”技術(shù)并非新概念。“電池均衡”并不是新鮮的名詞,至少在鎳鎘電池上使用了30年。只是早期的技術(shù)簡(jiǎn)單、低效,其原理和方法是:使用功率型電阻,把串聯(lián)中最高的哪節(jié)電池單體電壓,采用耗能的形式降下來(lái),縮小壓差;同時(shí),可防止因過(guò)充導(dǎo)致的事故。和今天的技術(shù)發(fā)展相比,在硬件和軟件管理方面,沒(méi)有可比性。但就其機(jī)理而言是相同的,同樣是:保障電池的安全性、縮小單體電池差異性。
 
“均衡”技術(shù)因電池串聯(lián)而生
 
電芯在系統(tǒng)中的應(yīng)用,主要是通過(guò)串聯(lián)形式,獲取高電壓,來(lái)滿足負(fù)載要求。比如說(shuō)額定48V電源的電壓,是由單體標(biāo)稱3.7V ,12~13顆單體電芯串聯(lián)而成的電壓疊加效應(yīng)。12~13顆電芯個(gè)體,因生產(chǎn)工藝的差異性,例如,生產(chǎn)日期、環(huán)境差異、極片厚度、面積、電解液加注量等等環(huán)節(jié),是無(wú)法做到一模一樣的,只能在一定范圍內(nèi)滿足偏差要求。所以,其本征物理量的差異性,就不難理解了。但是其串聯(lián)回路,在充放電時(shí),流過(guò)的電流是一樣的。如果使用r代表一顆電芯的內(nèi)阻,哪么,因內(nèi)阻的差異,就會(huì)導(dǎo)致單體電芯表現(xiàn)的電壓不同。當(dāng)在充電環(huán)節(jié)時(shí),內(nèi)阻大的會(huì)提前充滿或接近上限電壓,這個(gè)時(shí)候,為了防止過(guò)充損壞或?qū)е聻?zāi)難性結(jié)果,就需要把最高的單體電壓拉下來(lái),接近或保持在上限數(shù)值內(nèi)。這就是均衡的一種形式,也是均衡技術(shù)的原型和基礎(chǔ)。在最早2010版的leaf,就采用了這種技術(shù)。我常把它歸結(jié)為 “保護(hù)型均衡”。原因是,其主要功能還是為了防止過(guò)充。
 
高一致性電芯才是王道,剖析電池系統(tǒng)“均衡”本質(zhì)
 
“均衡”是實(shí)現(xiàn)單體本征特性達(dá)到或趨于一致的過(guò)程
 
或者說(shuō),均衡是讓每個(gè)單體參數(shù)接近一組電芯的平均值。電壓是電池本征參數(shù)之一,很多時(shí)候,均衡最直接的表現(xiàn)形式,就是電壓的均衡。均衡前,串聯(lián)的電芯個(gè)體,表現(xiàn)出來(lái)就是電壓的不一致性??s小壓差,達(dá)到規(guī)定的數(shù)值,是均衡的另一種形式,也是最終需要實(shí)現(xiàn)的功能。
 
高一致性電芯才是王道,剖析電池系統(tǒng)“均衡”本質(zhì)
 
高一致性電芯才是王道,剖析電池系統(tǒng)“均衡”本質(zhì)
 
因串聯(lián)單體差異,SOC上限只能接近100%
 
從理論上計(jì)算,單體電壓按相同值計(jì)算,其荷電狀態(tài) SOC應(yīng)為100%,U=V1×n。但是,現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中,SOC是不可能做到滿滿的。這一點(diǎn),需要技術(shù)人員的理解,在設(shè)計(jì)過(guò)程中,提出技術(shù)需求時(shí),只能是接近100%的數(shù)值,例如,上限SOC是95%,這是合理的。這個(gè)數(shù)據(jù)的確定,需要通過(guò)電芯本體的特性、系統(tǒng)的集成水平,通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得。
 
如果是面對(duì)客戶的一些指標(biāo),的確也有SOC 100%估值提法,比如說(shuō)在儀表顯示,但這是為了更好的讓客戶理解的一種做法。并不完全代表真實(shí)數(shù)據(jù)。
 
通過(guò)“均衡“,提升系統(tǒng)可用容量,這是怎么回事?
 
這個(gè)問(wèn)題需要從兩個(gè)方面說(shuō)起:一方面,站在充電的環(huán)節(jié)來(lái)分析,當(dāng)沒(méi)有均衡電路功能時(shí),串聯(lián)中,某一單體電壓達(dá)到上限時(shí),監(jiān)控電路上報(bào)后啟動(dòng)控制電路,停止繼續(xù)充電;當(dāng)具備均衡電路功能時(shí),會(huì)即時(shí)監(jiān)控壓差和上限電壓狀態(tài),并適時(shí)啟動(dòng)均衡功能,拉高就低。實(shí)際上,等于延長(zhǎng)了系統(tǒng)充電時(shí)間。充進(jìn)去的容量,自然要大于沒(méi)有均衡功能的電路。其本質(zhì):通過(guò)壓差值控制、上限值控制增加了可充容量。
 
 
高一致性電芯才是王道,剖析電池系統(tǒng)“均衡”本質(zhì)
 
另一方面,從SOC可使用范圍說(shuō)起,當(dāng)沒(méi)有均衡功能時(shí), SOC 兩頭的彈性區(qū)間是很“厚”的,虛值很大,為了保證安全,電池通常在20%到80%的SOC范圍內(nèi)使用,提供給負(fù)載只有60%。如果增加了均衡功能,SOC范圍完全可能從5%到95%,將可使用數(shù)值百分比增加到90%。其實(shí),是讓電池可用部分增加了。其本質(zhì)表現(xiàn)為改變了DOD(充放電深度)。當(dāng)然了,SOC 窗口邊界數(shù)值,會(huì)因電芯不同、BMS 不同,而存在差異的。不要拘泥于案例數(shù)值。
 
所以說(shuō),均衡功能更多的是改變了“木桶”原理最短的哪一塊板。
 
改變DOD深度,讓電池更高效
 
從上述分析,均衡電路的應(yīng)用,可以很好的拓展SOC應(yīng)用區(qū)間。假如說(shuō),一個(gè)系統(tǒng)10KWh, 如果可以提升10%的利用率,成本、重量、能量密度的貢獻(xiàn),都是相當(dāng)可觀的。當(dāng)然了,SOC 區(qū)間可用部分,并不完全取決于均衡,還有多種因素存在,例如:電化學(xué)因素導(dǎo)致的SOC區(qū)間緩沖區(qū)間、SOC算法估計(jì)導(dǎo)致的SOC緩沖區(qū)間等,都是可用區(qū)間變窄的原因。所以說(shuō),電池系統(tǒng),才有了“掐頭去尾”這么一種說(shuō)法。但是,均衡電路在其中的貢獻(xiàn)是一定存在的。需要綜合評(píng)估。我們有時(shí)評(píng)經(jīng)驗(yàn)設(shè)定下限的做法,一個(gè)臺(tái)階就是5%,10%,沒(méi)有根據(jù)電芯固有特性、環(huán)境溫度等分別標(biāo)定對(duì)待SOC邊界,做到精打細(xì)算,對(duì)于電池效率是一種很大的浪費(fèi)。
 
均衡作用不會(huì)改變電芯固有本質(zhì)
 
前面重點(diǎn)闡述均衡本質(zhì),我們?cè)倩仡^看看,對(duì)電芯的影響程度。電芯的本征,重點(diǎn)體現(xiàn)在內(nèi)阻、電壓的變化,這是可以直接測(cè)量的,潛在對(duì)應(yīng)的是計(jì)算得出的功率和容量。在均衡功能對(duì)改善電池系統(tǒng)狀態(tài)方面,一直存在不同觀點(diǎn)和爭(zhēng)議。但是,有一點(diǎn)是可以肯定的:增加均衡功能,是無(wú)法改變電芯個(gè)體固有特性的。但是,是否可以延緩電芯性能的衰減,有待于進(jìn)一步研究和使用數(shù)據(jù)證明。所以說(shuō),一味的把均衡功能作用夸大,是不正確的。
 
國(guó)內(nèi)外產(chǎn)品對(duì)均衡功能不同的應(yīng)用和理解
 
在分析leaf、Volt、寶馬等國(guó)外車型的時(shí)候,發(fā)現(xiàn)其均衡功能,和我們理解的存在偏差:一方面從均衡硬件上,其均衡電流在100~200mA之間,這么小的電流平衡,其作用微乎其微。也有人歸結(jié)為電芯高品質(zhì)毋須大電流均衡。另一方面,在設(shè)計(jì)均衡硬件電路方面顯得非常謹(jǐn)慎,例如,采用專屬自己和產(chǎn)品的芯片,全面的散熱、間隔設(shè)計(jì);充分的冗余設(shè)計(jì)。
 
總之,我認(rèn)為其設(shè)計(jì)的核心,還是站在系統(tǒng)安全的高度完成的。高品質(zhì)電芯,的確可以使均衡電路簡(jiǎn)化,有力的保障了系統(tǒng)的安全性、可靠性。同時(shí),均衡本質(zhì)是在回路內(nèi)的能量?jī)?nèi)循環(huán)。故障的發(fā)生可導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。所以,切莫照顧電芯的品質(zhì),棄安全于不顧。這樣也會(huì)誤導(dǎo)了均衡的發(fā)展方向。
 
均衡技術(shù),不是低品質(zhì)電池的救命稻草
 
我在看到一些BMS廠家,拼命的把均衡電流放大,來(lái)迎合國(guó)內(nèi)一些低質(zhì)電池的應(yīng)用。其實(shí),這真得不是 BMS 廠家的買點(diǎn)和初衷,更多的是他們的無(wú)奈,因?yàn)樗麄円驳迷趪?guó)內(nèi)市場(chǎng)存活。需要反思的:是整車廠提出得技術(shù)要求的嚴(yán)謹(jǐn)程度、電池廠家配套的電芯品質(zhì)。國(guó)內(nèi)電池與國(guó)外電池仍然存在大的差距,這是共識(shí),所以說(shuō),國(guó)內(nèi)電芯品質(zhì)提升已然是迫在眉睫的事情,不僅需要前段一致性做好,關(guān)鍵是后段一致性也需要過(guò)硬。再輔于高效的均衡,這才是合理的和正確的發(fā)展思路。
 
進(jìn)一步研究和探索
 
系統(tǒng)均衡,首先能保障系統(tǒng)更安全;其次是促進(jìn)可充放電容量增加。其在深充深放的EV應(yīng)用中,更能體現(xiàn)其優(yōu)勢(shì)。隨著新能源發(fā)展的深入,還有更多的技術(shù)問(wèn)題需要研究分析,例如:均衡工作點(diǎn)的最優(yōu)切入點(diǎn);如何準(zhǔn)確捕捉判斷電池狀態(tài);如何有效降低電池個(gè)體衰減速度等等,都是需要不斷解決的問(wèn)題。
 
來(lái)源:第一電動(dòng)網(wǎng)
 
 
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