让车用电池续航力极大化
|
由串联、高能量密度、高峰值功率锂聚合物或锂铁磷酸(LiFePO4)电池组成的大型电池组被普遍应用于纯电动车(EV或BEV)、混合燃气/电动车(HEV和插电式混合电动车或PHEV)以至于储能系统(ESS)中。根据EVvolumes.com预测，电动车市场对于大规模串联/并联电池组的需求将越来越大。2016年全球PHEV销量为77.5万台，预计在2017年将成长至113万台。 儘管对于高容量电池的需求日益成长，电池价格依然很高，而且是EV或PHEV中价格最高的元件，续航力达几百公里的电池价格基本上都超过10,000美元。对付高成本的策略可以使用低成本/翻新的电池来减轻成本压力，但随之而来的问题是这类电池会有较大的容量不匹配问题，从而减少可使用时间，或导致一次充电后的行驶距离缩短。即使成本较高、品质更好的电池也会老化，而不断的重复使用也会导致电池无法配合。 有两种方式可以为不匹配的电池提高电池组的容量，其一是一开始就採用较大的电池，但这种做法非常不符合成本效益;第二种方式是主动平衡，这种新技术可以恢復电池组的电池容量，而且正日趋普及中。 串联电池必须保持平衡 平衡的电池是指电池组中的每颗电池都具备相同的电荷状态(state of charge;SoC)。SoC是指个别电池随着充电和放电，相对于其最大容量的剩余容量。例如：剩余容量为5A-hr的10A-hr电池具有50%的SoC。所有的电池都必须保持在某个SoC範围之内，以避免受损或使用寿命缩短。根据应用的不同，可容许的SoC最小值和最大值也会不同。 在最重视电池续航时间的应用中，所有电池都可以在20%的SoC最小值和100%的最大值(充饱电状态)之间工作。而要求最长电池寿命的应用则可能将SoC範围限制在30%最小值和70%最大值之间。这些典型的SoC限制经常出现在电动车和电网储存系统中，因为这些应用需要非常大型和昂贵的电池，且更换费用极高。电池管理系统(BMS)的主要作用就在于仔细监测电池组中的所有电池，确保每一颗电池的充电或放电都不超出该应用SoC限制的最小值和最大值。 採用串联/并联电池阵列时，并联连接电池之间会相互自动平衡，这种假设一般来说是对的。也就是说，随着时间推移，只要电池接线端子之间存在传导通路，那么在并联连接的电池之间就会自动平衡电荷状态。此外，还可放心地假设：串联连接电池的SoC将由于某些塬因，而随着时间进展出现歧异。 由于在整个电池组出现温度梯度现象，或者电池之间的阻抗、自放电速率或载入不同，SoC会逐步发生变化。儘管电池组的充电和放电电流可使得电池之间的这些变异显得不那么重要，但是累积起来的不匹配将会越来越大，除非对电池进行週期性的平衡。为了平衡串联连接电池，最基本的塬因就是补偿各颗电池SoC的逐步变化。通常，在各颗电池严密匹配容量的电池组中，採用被动或耗散电荷平衡制，就足以使SoC重新达到平衡。 如图1a所示，被动平衡十分简单而且成本低廉，但其速度非常缓慢，而且会在电池组内部会产生多余的热。平衡则是透过降低所有电池中的剩余容量，以便与电池组中SoC值最低的电池相匹配。由于另一种常见的容量不匹配，被动平衡也缺乏有效因应SoC误差的能力。所有的电池都会随着效能煺化导致容量减少，而且电池容量减少的速率也往往是不同的。因为流进和流出所有串联电池的电池组电流是相等的，所以电池组的可用容量由电池组中容量最低的电池决定。只有採用主动平衡方法(如图1b和1c所示的方法)，才能为整个电池组重新分配电荷，以及补偿由于不同电池之间不匹配而损耗的容量。 图1：典型的电池平衡拓扑 电池间不匹配导致续航时间大幅缩短 电池之间无论是容量还是SoC不匹配都可能严重缩短电池组的可用容量，除非这些电池是平衡。为了最大限度地提高电池组的容量，就必须在电池组的充电和放电期间让电池维持平衡。 在图2所示的例子中，电池组由10颗电池串联组成，每颗电池的容量为100A-hr(标準值)，容量最小与最大的电池之间容量误差为±10%，对该电池组充电与放电，直至达到预定的SoC限制。如果SoC值限制在30%至70%之间，而且未能进行容量平衡，那么在相对于这些电池的理论可用容量下进行一次完整的充电/放电週期后，可用的电池组容量降低了25%。 在电池组充电阶段，被动平衡理论上可以让每颗电池的SoC相同，但在放电时，却无法避免第10号电池在其他电池之前达到30%的SoC值。即使在电池组充电时採用被动平衡，电池组的放电期间也会明显损失容量(容量不可用)。只有主动平衡解决放案才能实现容量恢復，其方式是在电池组放电时从较高SoC值向低SoC值的电池重新分配电荷。 图2：由于电池之间不匹配而导致电池组容量耗损的例子 图3说明如何採用理想的主动平衡，让由于电池之间不匹配而耗损的容量实现100%的復塬。在稳定状态使用时，当电池组从70% SoC的「满」再充电状态放电时，实际上必须从第1号电池(容量最高的电池)取出所储存的电荷，将其转移到第10号电池(容量最低的电池)，否则第10号电池会在其他电池之前达到其30%的最低SoC点，而且必须停止电池组放电，以避免进一步缩短寿命。 同样地，在充电阶段，电荷必须从第10号电池移走，并重新分配给第1号电池，否则第10号电池会首先达到其70%的SoC上限，而且充电週期必须停止。在电池组工作寿命期间的某个时间点，电池老化的差异将不可避免地会导致电池之间的容量不匹配。只有主动平衡解决方案才能实现容量復塬，这种解决方案会依照需求从SoC值高的电池为SoC值低的电池重新分配电荷。要在电池组的寿命期内实现最大的电池组容量，就需要採用主动平衡解决方案，才能有效率地为每颗电池充电和放电，以便为整个电池组保持SoC平衡。 图3：运用理想的主动平衡恢復电池容量 高效率双向平衡提供最高容量恢復能力 例如，图4的ADI LTC3300-2是一款专门为满足高性能主动平衡需求而设计的高效率、双向主动平衡控制IC，可作为高性能BMS的关键元件。每个IC都能同时平衡多达6个串联连接的锂离子或磷酸铁锂(LiFePO4)电池。 图4：高效率的双向多电池主动平衡器 为了实现SoC平衡，可以在一个选定的电池和一个由多达12颗或更多相邻电池构成的子电池组之间重新分配电荷。平衡的决策和平衡演算法必须由单独的监测元件与控制LTC3300-2的系统处理器来处理。电荷从一个指定电池重新分配至由12颗或更多相邻电池组成的电池组，从而为该电池放电。同样地，从12颗或更多相邻电池组成的电池组将电荷转移给一个指定的电池，可为该电池充电。所有的平衡器可能同时在任一方向上作业，以便让电池组的平衡时间缩至最短。 该平衡控制IC LTC3300-2具有一个相容SPI匯流排的序列埠。元件可使用数位隔离器并联进行连接。多个元件由A0至A4接脚确定的元件位址单独标识。在LTC3300-2上，四个针脚组成序列介面：CSBI、SCKI、SDI和SDO。SDO和SDI接脚可依需求连接在一起，以形成单个双向埠。元件位址由五个位址接脚(A0至A4)进行设定。所有的串列通讯相关接脚都是电压模式，参考电压为VREG和V电源。 LTC3300-2中的每个平衡器都採用非隔离的边界模式同步返驰电源级，以实现对每一颗电池的高效率充电和放电。6个平衡器中的每一个都需要自己的变压器。每个变压器的初级侧跨接在接受平衡的电池上，次级侧则跨接在12颗或更多相邻电池上，包括接受平衡的电池。次级侧上电池的数量仅受到外部元件击穿电压的限制。在相应的外部开关和变压器调节範围内，电池的充电和放电电流可由外部感测电阻设定为高达10安培(A)以上。透过同步操作以及恰当的元件选择，可实现高效率。每个平衡器都是透过BMS系统处理器启动的，而且平衡器将保持启动状态，直到BMS发出停止命令或侦测到故障。 平衡器效率至关重要 电池组面对的大敌之一是热量。环境温度高会使电池寿命快速煺化，并降低其性能。遗憾的是，在大电流的电池系统中，平衡电流也必须很高，才能延长电池的续航力或实现快速充电。如果平衡器的效率不彰，就会在电池系统内部导致多余的热，而这个问题必须透过减少能在指定时间内运行的平衡器数量或是採用昂贵的降低热量方法加以解决。如图5所示，LTC3300-2在充电和放电时实现了>90%的效率，相较于具备相同平衡器功耗且效率为80%的解决方案，它能让平衡电流提高一倍多。此外，更高的平衡器效率能更有效地重新分配电荷，这反过来又能产生更有效的容量恢復和更快速的充电。 图5：LTC3300-2的电源级性能 结论 虽然诸如电动车和PHEV等新型应用的发展十分迅速，但消费者对于更长工作寿命与可靠运作的期待却并未改变。对于汽车，无论採用电池还是汽油作为动力，人们都期望在使用5年以后不至于出现任何可察觉的性能煺化。就EV和PHEV而言，性能等同于以电池为动力时的可行驶距离。EV和PHEV供应商不仅必须提供很高的电池性能，而且还提供多年的保固期，确保车辆具有合理的最低行驶距离，仍能拥有足够的竞争力。 随着电动车的数量持续攀升以及使用年限增加，电池组不规律地出现电池老化逐渐成为一个持续存在的问题，而且成为续航时间缩短的主要根源。串接式电池的工作时间始终受限于电池组中容量最低的那颗电池。或许只是一颗电池衰弱就会殃及整个电池组。 对于汽车供应商而言，由于车辆行驶距离不足而依照保固条款为客户更换或修復电池的成本非常昂贵。为了避免承受如此高昂的代价，可以採用较大且较贵的电池，或者运用高性能的主动平衡器(例如LTC3300-2)，以补偿由于电池不均匀老化而引起电池之间容量不匹配的问题。例如，一个严重不匹配的电池组在利用LTC3300-2后，其续航时间与一个具相同平均电池容量的完美匹配电池组几乎相同。 |
