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了解電池均衡技術(shù)

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2019年05月10日  

電池組在使用期間會由于電池的自身差異原因,再加之外界環(huán)境如溫度、充放電電壓、充放電電流的劇烈變化而發(fā)生一致性差異,這種差異會逐漸增大,最終導致電池組的使用壽命遠遠低于單個電池的使用壽命。電池發(fā)生一致性差異后,最明顯的參數(shù)表現(xiàn)是電壓和容量的差異,特別是容量的差異,最終會通過電壓差異表現(xiàn)出來,在存在一致性差異的標準串聯(lián)電池組中,流經(jīng)每一塊電池的充放電電流是相同的,但充放電倍率卻是不同的,為了保護小容量電池,充電時我們希望小容量電池的充電電流小一點,好電池的充電電流稍大一點,實現(xiàn)等倍率充電,這樣不同容量電池的電壓上升速度才會基本相同;同樣,放電時我們希望小容量電池的放電電流小一點,好電池的放電電流稍大一點,實現(xiàn)等倍率放電,這樣不同容量電池的電壓下降速度也才會基本相同,而要實現(xiàn)這一理想,唯一的解決技術(shù)就是電池均衡技術(shù)。


目前的電池均衡技術(shù)主要有三類:分別是被動均衡、充電均衡和轉(zhuǎn)移式電池均衡,被動均衡依靠電阻放電進行小電流均衡,均衡電流通常小于100毫安,屬于充電均衡范疇,優(yōu)點是電路簡單,成本非常低,缺點是電能利用效率為零,不能執(zhí)行放電均衡,小容量電池容易發(fā)生過放電;充電均衡的均衡電流大一些,可以達到安培級別,充電均衡的速度較快,缺點是同樣不能進行放電均衡,小容量電池容易發(fā)生過放電;轉(zhuǎn)移式電池均衡是目前較為理想的電池均衡技術(shù),雖然電路復雜,但均衡能力最佳,有很多技術(shù)難題需要解決。


根據(jù)儲能元件的不同,目前均衡器可分為電阻均衡、電容均衡、電感均衡、LC均衡和變壓器均衡等。其中,電阻均衡是能耗均衡,其他幾種是非能耗均衡。電容均衡以電容作為能量轉(zhuǎn)移的載體,通過單體電池間的電壓差實現(xiàn)能量的均衡,由于電池間的電壓差較小,均衡能量轉(zhuǎn)移困難;電感均衡以電感作為能量轉(zhuǎn)移的載體,均衡電流易控,但均衡器性能由均衡器電路結(jié)構(gòu)和均衡策略決定;LC均衡通過LC振蕩電路實現(xiàn)電容均衡,彌補了電容均衡電壓差小的缺點,但開關(guān)頻率高,均衡電路控制復雜,均衡效率低;變壓器均衡多以反激式變壓器作為能量轉(zhuǎn)移的載體,均衡器的體積較大,均衡效率和均衡速度均受到限制,由此可見,電池均衡器的設(shè)計難度是較大的。


從原理和實驗應(yīng)用來看,轉(zhuǎn)移式電池均衡技術(shù)目前是最好的電池均衡技術(shù),但其相對成本也最高,從設(shè)計架構(gòu)來看,主要分為串聯(lián)均衡和串并聯(lián)均衡兩類,串聯(lián)均衡通過對相鄰電池均衡實現(xiàn)整組電池的均衡;串并聯(lián)均衡通過對所有電池“并聯(lián)”充放電實現(xiàn)整組電池均衡。通過對比,兩種均衡方式都能較快速實現(xiàn)整組電池的均衡,包括充電均衡、放電均衡和靜止均衡,是目前較為理想的均衡方案,


我們一直追求性價比更好的電池均衡技術(shù),但研發(fā)現(xiàn)實卻是殘酷的,首先是研發(fā)難度大,遠遠超過研發(fā)人員的預期,這一點可以從文獻上體現(xiàn)出來,通過檢索發(fā)現(xiàn),2000至2013年期間,在各種鋰電池發(fā)展的帶動下,國內(nèi)出現(xiàn)一股電池均衡技術(shù)研發(fā)高潮,各種有關(guān)電池均衡技術(shù)研究的學術(shù)論文、研究報告遍布各大紙質(zhì)媒體和網(wǎng)絡(luò),通過對比發(fā)現(xiàn),在電池均衡技術(shù)研究方面,充電均衡技術(shù)占據(jù)比例較大,主要是設(shè)計相對簡單,容易實現(xiàn),效率最高的轉(zhuǎn)移式電池均衡技術(shù)大多局限在計算機仿真和電池均衡模擬上,實驗電池通常采用串數(shù)較少的小容量電池,含有電池均衡實物實驗數(shù)據(jù)的論文較少,應(yīng)用在大容量或大功率動力電池組的電池均衡技術(shù)研究非常少,為什么電池均衡技術(shù)的計算機仿真和模擬較多,而市場上真正的電池均衡產(chǎn)品卻非常少呢?原因之一是開發(fā)技術(shù)難度大,電池均衡理論和仿真、模擬上沒有任何問題,但轉(zhuǎn)變?yōu)闃訖C實物時卻困難重重,有很多技術(shù)障礙需要面對,例如雙工問題、均衡電流自適應(yīng)問題、均衡效率問題、組間干擾問題等等,其中的組間干擾問題在小串數(shù)電池組均衡中通常不會發(fā)生,當電池串數(shù)超過一定數(shù)量時就會表現(xiàn)出來,擾亂均衡,從理論到實物是一個漫長過程,很多研究機構(gòu)和團體都因為遇到的種種難題無法解決而最終選擇放棄研發(fā);二是成本高,由于均衡應(yīng)用的需要,對均衡參數(shù)、性能和指標有其特殊要求,當所有要求都滿足的時候,硬件的成本就會變得較高,甚至超過電池組本身的成本,很難實現(xiàn)性能與成本之間兼顧,所以,受成本的影響,較完善的電池均衡設(shè)備通常要用在價值較高的電池組上。


先談?wù)勍艘垭姵貫槭裁匆荽卫?,退役電池并不等同于報廢電池,而是性能無法滿足原設(shè)備使用需要,特別是續(xù)航時間和動力表現(xiàn)衰減嚴重,根源就是電池組的一致性問題無法解決導致了電池組的提前退役,鑒于目前在電池組一致性問題管理難以突破的實際情況,退役電池的梯次利用還會繼續(xù)發(fā)生一致性問題,甚至速度還要快,特別是當梯次電池用在大容量、高功率電池組中的情況下,如果一致性問題不解決,”差電池”很容易在充放電過充中產(chǎn)生高溫,引發(fā)“熱失控”并導致事故的發(fā)生。而要減少和降低”差電池”的充放電高溫,就必須降低”差電池”的實際充放電電流,這就對電池均衡器的分流能力提出了更高的要求,傳統(tǒng)的小電流均衡器很難適應(yīng)這種要求,必須采用支持大電流的轉(zhuǎn)移式電池均衡器,但這種均衡器的研發(fā)難度相對更大,但隨著雙向同步整流技術(shù)在轉(zhuǎn)移式電池均衡技術(shù)中的研發(fā)成功,高功率、高效率電池均衡技術(shù)已經(jīng)實現(xiàn)了突破,正在接受更苛刻的測試和檢驗。


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