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电池平衡如何提高电池寿命 [复制链接]

本帖最后由 qwqwqw2088 于 2022-11-14 08:52 编辑

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电池平衡是一种通过最大限度地提高具有多个串联电池的电池组的容量来延长电池寿命的技术,确保其所有能量都可供使用。电池平衡器或调节器是电池管理系统中的一种功能,用于执行锂离子电池组电动汽车和 ESS 应用中常见的电池平衡。

 

通常,电池组的单个电池具有不同的容量并且处于不同的 SOC 水平。如果不进行再分配,则必须在容量最低的电池为空时停止放电,即使其他电池仍未为空。这限制了电池组的能量输送能力。

 

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主动被动电池平衡


在平衡过程中,更高容量的电池会经历一个完整的充电/放电循环。如果没有电池平衡,容量最慢的电池就是一个弱点。电池平衡是 BMS 的核心功能之一,此外还有温度监控、充电和其他有助于最大限度延长电池组寿命的功能。

 

单元平衡的需要


当需要将多个电池组合在一起为设备供电时,您需要进行一些平衡。原因是电池是易碎的东西,如果充电或放电过多,它们就会死亡或损坏。对于具有不同 SoC 并开始使用它们的电池,它们的电压开始下降,直到其中存储的能量最少的电池达到电池的放电截止电压。

 

那时,如果能量继续流经单体,它就会受到无法修复的损坏。现在,如果尝试将这组电池充电到正确的组合电压,健康的电池会过度充电并因此受到损坏,因为它们将吸收已经死亡的电池不再能够存储的能量。不平衡的锂离子电池在第一次尝试使用时就会死亡。这就是为什么绝对需要平衡。

 

电池平衡的其他原因包括:

 

热失控

 

电池,尤其是锂电池,对过度充电和过度放电非常敏感。当内部热量产生的速率超过热量释放的速率时,这会导致热失控。通过使用电池平衡,电池组中的每个无缺陷电池应平衡到与其他无缺陷电池相同的相对容量。除了使用电池平衡之外,您还可以让电池组保持凉爽,因为热量是导致热失控的主要因素之一。这最大限度地减少了包装中的热量保留。应该将电池环境保持在室温。

 

单体降解

 

当锂电池过度充电时,甚至略高于其推荐值,电池的能量容量、效率和生命周期都会降低。单体退化主要是由以下原因引起的:

 

1.  袋型电池中电极的机械退化或堆压损失。


2.  阳极上固体电解质界面(SEI)的生长。当充电电压保持在 3.92v/cell 以下时, SEI 被视为
     大多数(如果不是全部)石墨基锂离子电池容量损失的原因。
3.  在正极形成电解质氧化 (EO),可能导致容量突然损失。
4.  高充电率产生的阳极表面镀锂。

 

电池退化是一个严重的经济问题,因电池的使用方式而异。

 

电池组充电不完全

 

电池以 0.5 到 1.0 倍率的恒定电流充电。电池电压随着充电进行而上升,充满电后达到峰值,然后下降。考虑三个分别具有 77 Ah、77 Ah 和 76 Ah 且 100% SoC 的电池,然后所有电池都放电并且它们的 SoC 下降。可以很快发现电池 3 会首先耗尽能量,因为它的容量最低。

 

当给电池组通电并且相同的电流流过电池时,电池 3 在充电过程中再次滞后,可以认为是完全充电,因为其他两个电池已完全充电。这意味着由于电池的自热导致电池不平衡,电池 3 的库仑效率 (CE) 较低。

 

电池组能量的不完全使用

 

消耗的电流超过电池设计的电流或使电池短路最有可能导致电池过早失效。电池组放电时,较弱的电池比健康电池放电更快,而它们比其他电池更快地达到最低电压。在电池运行期间提供定期休息时间允许电池中的化学转化来跟踪对电流的需求。

 

单体平衡的类型


主动电池平衡

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主动平衡充电


主动平衡放电


有源电池平衡器通常将能量从一个电池传输到另一个电池。即从高电压/高 SoC 到具有较低 SoC 的电池。主动平衡器的目的是,如果您有一组容量较低的电池,您可以通过从电池组中的一个比另一个电池更多能量的电池移动能量来延长电池组的寿命或 SoC。

 

有源电池平衡器不会将所有能量浪费为热量,而是通过微型转换器电路有效地平衡电池,这些转换器电路将能量从最高电压的电池传递到最低电压的电池。有源电池平衡方法有两种不同类别:电荷穿梭和能量转换器。电荷穿梭用于主动地将电荷从一个电池传输到另一个电池,以实现相等的电池电压。能量转换器使用变压器和电感器在电池组的电池之间移动能量。

其他有源电池平衡电路通常基于电容器、电感器或变压器以及电力电子接口。这些需要:

 

基于电容器

 

单个电容器—— 这种方法很简单,因为它使用单个电容器,而与电池中连接的电池数量无关。然而,这种方法需要大量的开关和对开关的智能控制。


多个电容器—— 这种方法将多个电容器连接到每个电池,通过多个电容器传输不相等的电池能量。它不需要电压传感器或闭环控制。


基于电感器或变压器

 

单/多电感——单电感 的电池平衡电路体积小,成本低,而多电感的平衡速度快,电池平衡效率高。单变压器—— 这种方法平衡速度快,磁损耗低。


多个变压器—— 这款电池平衡器具有快速的均衡速度。然而,它需要一个昂贵且复杂的电路来防止变压器被淹没。


基于电力电子接口

 

反激/正激转换器—— 高压电池的能量存储在变压器中。该电池平衡器具有高可靠性。
全桥转换器—— 这种电池平衡器具有快速的均衡速度和高效率。
有源平衡器能够将大量电流从一个电池推到另一个电池。

 

主动电池平衡的优点:

 

它提高了容量使用率。当您在系列中具有不同的电池容量时,它会表现出色。
它提高了能源效率。它通过将多余的能量转移到能量较低的电池中来节省能量,而不是燃烧电池中的多余能量。
终身延长。它提高了电池的预期寿命。


快速平衡。


主动电池平衡的缺点:

 

当将能量从一个单体转移到另一个单体时,大约会损失 10-20% 的能量。
 

电荷只能从较高的电池转移到较低的电池。


尽管有源电池平衡器具有很高的能量效率,但其控制算法可能很复杂,并且其生产成本昂贵,因为每个电池都应与额外的电力电子接口连接。


被动电池平衡

 

image.png  

 

被动系统可能会通过电阻元件从高能电池中燃烧掉多余的能量,直到电荷与电池组中的低能量电池相匹配。如果将电池串联在一起,并且您注意到一些电池的能量高于其他能量较低的电池,您可以通过在电池上连接一个电阻器来平衡顶部电池的燃烧能量,从而将能量释放到热量从而均衡电池组的电池能量。

 

最初,会消耗掉多余的能量,直到单体达到平衡。被动电池平衡允许所有电池看起来具有相同的容量。有两种不同类别的无源电池平衡方法:固定分流电阻器和开关分流电阻器。固定分流电阻电路通常连接到固定分流器,以防止其被过度充电。在电阻器的帮助下,无源平衡电路可以控制每节电池电压的极限值,而不会损坏电池。这些电阻器为平衡电池而消耗的能量可能会导致 BMS 中的热损失。因此,这证明固定分流电阻器方法是一种低效的电池均衡电路。

 

开关分流电阻电池均衡电路是目前电池均衡中最常用的方法。该方法有连续模式和感应模式,连续模式控制所有开关同时开启或关闭,在感应模式下,每个电池都需要一个实时电压传感器。该电池平衡电路通过平衡电阻消耗高能量。这种电池平衡电路适用于在充电或放电时需要低电流的电池系统。

 

被动单体平衡的优点:

 

永远不必平衡运行良好的包装。


单体不能浪费它没有的能量。一旦能量库充满,那就是只有当单体有足够的能量来平衡时。
它允许所有单元具有相同的 SoC。
它提供了一种成本相当低的电池平衡方法。
它可以纠正电池与电池之间自放电电流的长期失配。


被动电池平衡的缺点:

 

热管理不良。


它们在整个 SoC 期间不平衡。它们仅在每个单元的顶部以 95% 左右保持平衡。这是因为如果有不同的电池容量,将被迫燃烧掉多余的能量。它的能量传输效率通常很低。电能在电阻器中以热量的形式耗散,电路也造成了开关损耗。换句话说,它会导致大量的能量损失。


它不会提高电池供电系统的运行时间。


多绕组变压器的主动平衡电路分为功率模块和控制模块。电源模块由电池单元、平衡变压器和开关晶体管(MOSFET)组成,模块可以扩展。每节电池通过MOSFET与电池组串联,采用固定占空比控制对电压较高的电池进行放电。控制模块包括FPGA控制单元、AD采样单元。每个电池电压信号通过一阶低通滤波器进入 AD 采样。将所有电池电压的AD采样信号处理到FPGA中,利用FPGA内部的平衡算法实现电池组的平衡控制。MOSFET的开关周期与平衡变压器峰值电流的关系如下:

 

image.png  

平衡变压器的设计关系到平衡电路的工作性能。因此,必须正确设计变压器参数。在电池组充电过程中,一旦主动平衡电路检测到某个电芯的电压过高,就会启动相应的平衡开关为该电芯放电。平衡变压器初级侧的平均放电电流为:

 

image.png  

 

同理,可以得到平衡变压器二次电池的平均充电电流为:

 

image.png  

 

N——串联电池的数量;k——变压器初级和次级的匝数比。

 

分析方程(1)到(3),他们得出结论,在固定占空比控制方法下,平衡平均电流仅与变压器初级和次级绕组的匝数比、电池数量和电流有关。峰值。[来源]

 

电池组所需的平衡电流是多少?


平衡电池是这样一种电池,在某些 SoC 上,所有电池都完全处于相同的 SoC。平衡电池所需的电流取决于电池失衡的原因。它分为2类:

 

  1. 总平衡
  2. 维护平衡


总平衡


如果组装或维修电池组时没有考虑单个电池的初始 SoC,则可能期望平衡器进行总平衡。在这种情况下,平衡电池组所需的最长时间取决于电池组的大小和平衡电流。所需的平衡电流与电池组的大小成正比,与所需的平衡时间成反比:

 

平衡电流 [A] = 包装尺寸 [Ah] / 总平衡时间 [小时]

 

平衡电流为 1A 的 BMS 需要将近一周的时间来平衡一个 100 Ah 的电池组,其中一些电池已充满电,而一些电池则完全空了。10 mA 的平衡电流无法在其所有者的使用寿命内平衡 1000 Ah 电池组。或者,如果 BMS 预计在合理的时间内平衡一个大的、严重不平衡的电池组,它会提供一个相对较高的平衡电流。

 

维护平衡


如果一包开始平衡,保持平衡就变得很容易。如果所有电池的自放电泄漏相同,则不需要平衡;电池的 SoC 缓慢下降完全相同,因此电池组保持平衡。如果电池具有相同的自放电泄漏,除了一个电池具有 1 mA 或更多泄漏,则 BMS 从所有其他电池平均取 1 mA 或仅向一个电池增加 1 mA。这被认为是平均平衡电流。

 

在很多应用中,BMS除了不断地漏电放电外,还无法做到无限平衡。因此,平衡电流必须更高,与 BMS 平衡电池组可用的时间成反比。

 

例如:

 

如果 BMS 可以持续平衡,平衡电流可以是 1mA,而如果 BMS 每天只能平衡 1 小时,平衡电流应该是 24mA,才能达到 1mA 的平均值。

 

更重要的是,如果 BMS 可以运行比所需最小值更多的平衡电流,则 BMS 可以:

保持平衡始终开启,但降低其值以匹配电池增量电流的自放电泄漏
通过占空比打开和关闭平衡,平均而言,电流与电池的漏电流相匹配
所需的平衡电流与泄漏电流的差异和可用于平衡的时间百分比成正比:

平衡电流 [A] = (最大漏电流 [A] – 最小漏电流 [A]) / (每日平衡时间 [小时] / 24 [小时])

平衡电流是平衡器可以绕过满电池的电流量,同时仍允许相同的电流流入非满电池。正确的金额取决于想要多快结束平衡。

 

结论


平衡补偿单个电池的 SoC,而不是容量不平衡。电池组平衡的好处是,如果电池组在工厂平衡,BMS 只需要处理平衡电流。这对于构建已经平衡的电池组更有意义,无需使用可以执行总平衡的 BMS。

 

为了最大限度地减少电池电压漂移的影响,必须适当调节不平衡。任何平衡方案的目标都是让电池组以预期的性能水平运行并扩展其有用容量。对于希望最小化成本并纠正电池之间自放电电流的长期失配的客户,被动平衡是最佳选择。通过被动电池平衡,电池不能浪费它没有的能量。一旦能量库充满,只有那时细胞才有足够的能量来平衡。


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