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[导读]电动汽车发展关键技术是动力电池及其管理技术,电池是电动汽车的心脏,是能量的,BMS是关键,而BMS的核心却是电池均衡,离开了高效的电池均衡技术,其他依赖于均衡控制的所

电动汽车发展关键技术是动力电池及其管理技术,电池是电动汽车的心脏,是能量的,BMS是关键,而BMS的核心却是电池均衡,离开了高效的电池均衡技术,其他依赖于均衡控制的所有控制就无从谈起。

BMS电池管理系统在电池组的运行管理中具有不可替代的作用,均衡管理是其中的一项关键技术,然而,均衡控制的实际运行效果远远没有达到电池组的均衡要求,是BMS的短板,这种短板又直接影响了SOC管理的准确度和热管理,不仅影响用户实际体验,而且热失控风险始终存在。

 

 

BMS电池管理系统

针对均衡短板问题,作者开发了一种实时、高速电池均衡技术,通过自动调节每块电池的实际充放电流,来实现每块电池都处于近似相同的等倍率充放电状态,通过与BMS结合,达到延长电池组循环使用寿命、稳定电池组容量和续航时间的目的和效果。

1. BMS关键技术介绍

BMS电池管理系统的三大关键技术分别是SOC管理、均衡控制、热管理。SOC管理除精确计算电池组的当前剩余容量外,还要实时判断电池过充、过放等一系列故障;均衡控制的作用是保证电池单体的一致性,而一致性问题与充放电压、充放电流、温度差异密切关联。

热管理系统是使电池工作在适当的温度内,降低电池模块的温度差异。以均衡管理为例,它主要是要解决电池组的一致性问题,一致性问题的存在既会影响到SOC的准确性、更影响到热管理,特别是热失控管理。他们之间的关系如图1所示。

 

 

图1 一致性问题的产生及影响示意图

从示意图可以看出,电池组问题的焦点是一致性问题,是事关电池组循环使用寿命、续航时间和能否安全运行的关键,解决好一致性问题才是关键,均衡控制是BMS的核心技术,均衡控制的效果与好坏直接关系到SOC的准确性和热管理的成败,因此,解决了均衡控制,也就解决了电池管理的几乎所有关键问题。

在均衡控制功能方面,作为BMS的主要组成部分,国内多为被动均衡或无此功能,主要还是依靠电池生产的一致性来保证,大多数人士认为,只要电池装配时一致性好,就可以保证电池组的长期高效运行,不会再发生一致性问题。

然而,现实却给出了相反的答案,众多安装了BMS的电池组,并没有因为BMS的存在,电池组的一致性问题消失了,同样表现出明显的一致性问题,随之带来的便是续航里程大幅度缩水等问题。

我们都知道,影响电池组一致性问题的主要原因除了电池自身差异的内因外,主要由三个外因引起,分别是充放电电压、充放电电流和环境温度,下面对这三个原因分别阐述:

第一、充放电电压。蓄电池对充放电电压非常敏感,必须在合适的电压范围内使用,最惧怕过充电和过放电,每发生一次过充电或者过放电都会对电池造成很大伤害,甚至不可恢复,如果多次发生过充电或者过放电,电池的衰减将进入加速状态,快速形成一致性问题。

第二、充放电电流。通常情况下,串联电池组中的每一块电池的充放电电流都是相同的,但是对于不同容量电池的影响却是不同的,在相同的充放电流下,不同容量电池的充放电倍率是不同的,容量大的电池,充放电倍率相对较小;容量小的电池,充放电倍率相对较大。

充放电倍率对电池循环使用寿命的影响是已知的、经过了大量的科学实验证明,充放电倍率越大,电池的循环使用寿命越少,充放电倍率越小,电池的循环使用寿命越长。由此可见,对于同一存在容量差异的电池组,充放电电流越大,电池组的衰减越快,这一结论也得到应用和实践的验证。

 

 

电池管理系统主要功用

以电动汽车为例,经常做急加速、高速行驶的电动汽车,电池的一致性问题发生的最早,衰减速度普遍较快,而平稳起步和中低速行驶的的电动汽车,电池的一致性问题则发生得较晚,衰减问题就相对不突出。

第三、环境温度。电池的衰减与环境温度密切关联,工作参数相同的电池,在不同温度下的衰减速度是不同的,总的结论是,温度升高,衰减加速。

另外,电池衰减后的一个重要参数的变化是内阻升高,内阻升高对电池影响非常大,不仅直接影响充放电速度和容量,而且会直接导致电池内部损耗的增大、无用功的增加和温度的加速增高,而温度的增高又进一步加剧衰减电池的衰减,形成恶性循环。过高和过低的充放电电压、过高的充放电电流都会加剧衰减电池的温升额外增高。

2. BMS被动均衡控制技术及短板

因均衡技术和成本原因,国内电动汽车厂商的BMS所提供的均衡控制主要以被动均衡为主,被动均衡要解决的问题是保证充电时所有电池充满。

被动均衡技术具有先天不足的缺点,首先,均衡电流非常小,通常只有100mA左右,对于几十Ah以上的车载动力电池组来说均衡作用非常有限,除非电池组的一致性非常好,如果提高均衡电流,发热问题不可小觑,会加剧电池组的温升,特别是夏季。

其次,被动均衡只能进行充电均衡,无法进行放电均衡,当最小容量电池放电完毕后,电池组的放电就结束了,即使其他电池还有很多剩余容量也不起任何作用,这一点,如同“木桶原理”是一样的。电池的差异越大,容量浪费问题越严重,续航里程的缩水问题越严重。

以100串100Ah电池组为例,假设有1串电池发生严重衰减,容量降至60Ah,那么车辆的实际续航里程最多也只有设计值的60%,近40%的容量无法得到利用、浪费严重。采用被动均衡的结果就是,每次充电和放电最多只能达到60Ah,无法提高。

3. 放电均衡的原理及优势

继续以上述例子阐述,被动均衡只能利用60%的容量,40%的容量无法利用,不仅造成大量的浪费,车辆每天还要多承担约40%的电池重量做无用功。对于被动均衡无法利用的40%容量,如果通过其他电池均衡技术,即使再利用效率只有85%,约34Ah可以利用,那么增加的续航里程也将是非常明显的。

至少可以在原来只剩余60%续航里程的基础上,再增加约50%的续航里程。要实现这一功效,就必须采用具有高效放电均衡功能的电池均衡技术。

均衡放电的原理如图2所示。为便于说明,以两串电池组(多串电池组原理相同)的均衡放电为例,均衡器并联在电池组上,电池乙(剩余78%容量)除提供负载电流外,多释放的电流(图中黑实线所示)通过均衡器转换,输送到电池甲(剩余33%容量)两端,为电池甲提供一个叠加电流(图中黑虚线所示,相当于在电池甲的两端又并联了一个电池),弥补小容量电池甲放电能力的不足,叠加电流加上电池甲的放电电流等于负载电流;乙电池的实际放电电流远远大于甲电池。

放电期间,均衡器通过实时检测甲乙电池的相对电压差,能自动识别出电池乙的容量大,控制乙电池自动多放电,提高放电倍率,相比之下,甲电池自动少放电降低放电电流和放电倍率,如果均衡器的均衡电流满足需要,甲乙电池就可以实现近似相同的放电倍率,实现等倍率均衡放电。因此,均衡放电的实质就是等倍率放电。

 

 

图2 均衡放电原理示意图

通过均衡放电原理可知,要实现这一功能和目的,对均衡器的要求较高,一是转换效率要高,减少电能的损失,提高电能利用率;二是支持的均衡电流要大,以满足大电流均衡的需要;三是必须具备实时均衡功能,要在放电期间实时介入和干预,不能等到甲电池放电完毕才介入;四是均衡设备的温升要低,减少温升对电池组的影响。

基于这一思想和原理,作者历时多年,成功开发出专门用于电池组均衡的实时、高效、高速、大功率、转移式电池均衡技术[1],实时、高速地均衡电池电压与荷电量[2],特别是其独特的双向同步整流技术[3],令均衡电流和均衡效率大幅度提升。

相反,设备温升却大幅度下降,不仅支持高速充电均衡,而且支持高速放电均衡,特别重要的是还同时支持高速静态均衡,增加有效均衡时间,降低小容量电池的温升,提高大容量电池的容量利用率,稳定电池组容量,提高电池组运行安全,特别是预防“热失控”方面表现优秀。

电池组的实际剩余容量与初始容量的比值反映了电池容量的衰减率,这一比值越大,说明电池组的健康状况越好,充电均衡技术只能让电池组充满电,实际放电容量取决于容量最小的电池。

BMS关键技术之均衡控制短板与解决方案

汉腾汽车电池管理系统

而放电均衡的介入和干预,将电池容量的利用率实现了最大化、最佳化,未衰减电池和微衰减电池的多余电量都可以得到高效利用,延长实际续航时间,可以说,放电均衡决定了电池组的最大放电容量和能力,更具有实际意义。

4. 放电均衡对于BMS的意义及对接方案

当电池组有BMS介入的情况下,无论是在充电状态还是放电状态,衰减电池虽然不会发生过充电和过放电情况,但其充放电倍率以及温升始终高于其它非衰减电池,因此衰减始终处于加速状态,衰减速度始终是最快的,基于“木桶原理”,因此电池组的衰减仍然非常快,可见BMS的介入,并没有改变电池组的衰减状态,并没有解决电池组的一致性问题。

而当本文所述高效电池均衡器介入后,通过实时自动调节电池的相对电压差实现SOC的重新自动分配,自动调节衰减电池与非衰减电池的实际工作电流,通过自动干预使衰减电池与其它电池具有近似相同的充放电倍率,让电池组的衰减始终保持在自然衰减状态,从而达到电池组的循环使用寿命与单体电池的循环使用寿命相当,整组电池的循环使用寿命实现最大化,续航时间和续航里程自然就稳定了。

5.结束语

电动汽车发展关键技术是动力电池及其管理技术,电池是电动汽车的心脏,是能量的,BMS是关键,而BMS的核心却是电池均衡,离开了高效的电池均衡技术,其他依赖于均衡控制的所有控制就无从谈起,续航里程的稳定性如何就全靠运气了。这种均衡技术不改变电池组的物理连接,可以与BMS实现无缝结合,实现强强联合,充分发挥各自的优势,实现电池管理的最佳化。

参考文献

[1]周宝林、周全:一种具有同步整流功能的转移式实时电池均衡器

[2]周宝林、周全:转移式电池均衡技术对电池电压与荷电量影响的研究

[3]周宝林、周全:双向同步整流技术在转移式实时电池均衡器中的研究与应用

第一作者简介:周宝林(1968-),男,黑龙江,工程硕士,高级工程师,主要研究方向:电池均衡技术。

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