摘要:電池組有差別于單體電池的額外特性,基于目前的動力鋰電池設計與制造技術水平,單體之間的性能差異在其整個生命周期里客觀存在,要想防止單體由于過充、過放導致提前失效,使電池組的功能和性能指標達到或者接近單體的平均水平,對電池組中單體之間實現均衡控制和管理是必由之路.電池組均衡管理是一門先進的電池組使用技術,要結合動力鋰電池電化學模型、電子電源和計算機控制等多學科技術的最新研究成果,進行創新設計.

關鍵詞:鋰離子電池、動力鋰電池組、蓄電池組、電池組使用技術、均衡控制、電池組管理

0前言

被認為是未來汽車的電動汽車是電動源、電機和整車三大技術的結合體,電動源是電動汽車的核心部件,目前已經形成動力鋰離子電池及其專用材料的開發熱潮.做為一種新型的動力技術,鋰離子電池在使用中必須串聯才能達到使用電壓的要,單體性能上的參差不齊并不全是緣于電池的生產技術問題,從涂膜開始到成品要經過多道工序,即使每道工序都經過嚴格的檢測程序,使每只電池的電壓、內阻、容量一致,使用一段時間以后,也會出現差異,使得鋰動力鋰電池的使用技術問題迫在眉睫,而且必須盡快解決.

動力鋰電池組的使用壽命受多種因素影響,假如電池組壽命低于單體平均壽命的一半以下,可以推斷都是由于使用技術不當造成的,首要原因當推過充和過放導致單體電池提前失效.本文結合鋰動力鋰電池特性、電子電源、計算機控制技術研究動力鋰電池組的使用技術,探討動力鋰電池組的均衡控制和管理.

1動力鋰電池重要性能參數

1.1電壓

開路電壓=電動勢+電極過電位,工作電壓=開路電壓+電流在電池內部阻抗上出現的電壓降.電動勢由電極和電解質材料特性決定,電極的過電位與材料活性、荷電狀態和工況有關.金屬鋰標準電極電位-3.05V,3V鋰離子電池3.3~2.3V,4V鋰4.2~3.7V,5V鋰4.9V~3.0V.

1.2內阻

電池在短時間內的穩態模型可以看作為一個電壓源,其內部阻抗等效為電壓源內阻,內阻大小決定了電池的使用效率.電池內阻包括歐姆電阻和極化電阻兩部分,歐姆電阻不隨激勵信號頻率變化,又稱交流電阻,在同一充放電周期內,歐姆電阻除溫升影響外變化很小.極化電阻由電池電化學特性對外部充放電表現出的抵抗反應出現,與電池荷電、充放強度、材料活性都有關.同批電池,內阻過大或過小者都不正常,內阻過小可能意味材料枝晶生長和微短路,內阻太大又可能是極板老化、活性物質喪失、容量衰減,內阻變化可以作為電池裂化的充分性參考依據之一.

1.3溫升

電池溫升含義為電池內部溫度與環境溫度的差值.多數鋰離子電池充電時屬吸熱反應,放電時為放熱反應,兩者都包含內阻熱耗.充電初期,極化電阻最小,吸熱反應處于主導地位,電池溫升可能出現負值,充電后期,阻抗增大,釋熱多于吸熱,溫升新增,過充時,隨不可逆反應的出現,逸出氣體,內壓、溫升升高,直到變形、爆裂.

1.4內壓

電池內部壓力,由于電池內部反應逸出氣體導致氣壓增大,氣壓過大將撐破殼體和發生爆裂,基于安全考慮,一方面鋰離子電池都設計了單向的防爆閥門,一方面用塑殼制造.析氣反應常伴隨著不可逆反應,也就意味著活性物質的損失、電池容量的下降,無析氣、小溫升充放電是最理想的.

1.5電量

電學里,電量用Wh表示,是能量單位,一度電等于1kWh,電池常用Ah計算電量,關于動力鋰電池側重于功率和能量大小,用Wh更直接一些,因為電池的電壓是變化的,其全程變化量可達到極大值的一半左右,用Ah計算電量不能正確描述電池的動力驅動能力,但Ah作為電池的電量單位自有其歷史和道理,在不引起歧義的地方兩種電量單位都可以使用.

1.6荷電

電池還有多少電量,又稱剩余電量,常取其與額定容量或實際容量的比值,稱荷電程度.是人們在使用中最關心的、也是最不易獲得的參數數據,人們試圖通過測量內阻、電壓電流的變化等推算荷電量,做了許多研究工作,但直到目前,任何公式和算法都不能得到統計數據的有效支持,指示的荷電程度總是非線性變化.

1.7容量

電池在充足電以后,開始放電直到放空電為止,能輸出的最大電量.容量與放電電流大小有關,與充放電截止電壓也有關系,故容量含義為小時率容量,動力鋰電池常用1小時率(1C)或2小時率(0.5C)容量.電池在化成之前材料的活性不能正常發揮,容量很小,化成過程開始后,電池進入其生命期,在整個生命期里,電池的活化和劣化過程是一個問題的兩個方面,初期活化用途處于主導地位,電池容量逐漸上升,以后,活化和劣化用途都不明顯或相當,后期,劣化用途顯著,容量衰減,規定容量衰減到一定比例(60%)后,電池壽命終結.

1.8功率

電學含義直流電源的輸出功率等于輸出電壓與電流的乘積,鋰離子電池單體電壓高,在相同的輸出電流下,其功率分別是鉛酸、鎳鎘鎳氫的1.8倍和3倍.電動汽車用動力鋰電池組的負載是電機控制器,電機控制器根據車速變化調整輸出功率,短時間來看,電池組驅動的是恒功率負載,這個功率變化的范圍極大,制動時有與加速時相近的反向逆變功率.

1.9效率

電池的效率指電池的充放電效率或能量輸出效率,本文指后者.關于電動汽車,續駛里程是最重要指標之一,在電池組電量和輸出阻抗一定的前提下,根據能量守恒定律,電池組輸出的能量轉化為兩部分,一部分作為熱耗散失在電阻上,另一部分供應給電機控制器轉化為有效動力,兩部分能量的比率取決于電池組輸出阻抗和電機控制器的等效輸入阻抗之比,電池組的阻抗越小,無用的熱耗就越小,輸出效率就更大.

1.10壽命

單體電池壽命含義和測試程序已被人們普遍接受并形成許多標準,測試壽命時,可保證不過充、過放,也就不會提前失效,與單體不同,電池組的壽命測試目前的做法不科學,在一定程度上限制了動力鋰離子電池的實用化進程.供應者強調每只電池的電壓不可超越規定的限值,電池組的壽命應該是各單體電池壽命的最小者,其值應該與單體平均壽命相差不會太多,測試人員模擬電池組使用情況,用對單體電池相同的方法測試壽命,電壓限值取單體電壓限值與數量乘積,實際限制的是單體平均電壓,組內單體電壓有低有高,關于幾十只、上百只的電池組,電壓、容量、內阻的差異性總是客觀存在的,過充過放無法防止,并且一旦發生相關電池將很快報廢,因此就出現專家組測試的電動汽車動力鋰電池組的壽命還沒有突破過百次.

1.11安全

動力鋰電池的工作條件苛刻,重要的安全問題是電池自身爆炸、燃燒和導致的電火,在電動汽車研發進程中,發生過多次起火事件,對電動汽車的發展造成了負面影響,通過多種渠道了解,在這些事故中,有電池自燃的,有車輛被燒毀的,甚至動用消防隊滅火,許多單位顧忌影響而施行保密策略,事發第一現場很難到場,總結這些不完全的事故信息,初步有以下推斷:

·長期在庫存的電池未發生過自燃和爆炸,運輸過程中也沒出現自燃的;

·電池爆炸發生于充電后期或已經結束,充電設備和方法難脫干系;

·外部電路短路可以造成強電弧或使導線燃燒,也可以導致自燃,一般的電壓、電流源都有此特性;

·用組電壓或電流限制不能防止電池的過充過放;

·過充電可能使電池變形、失效、燃燒、甚至爆炸,過放電(反充電)一次足以使電池報廢;

·一些受試電池通過了苛刻的用沖鋒槍射擊、擠壓破裂短路、水淋、水泡等安規測試.

總之,電池的正確使用技術是非常重要的.

2動力鋰電池組充放電特性

以單體電池為動力源如移動電話,電源管理技術已經十分完善,但在電池組中,單體之間的差異總是存在的,以容量為例,其差異性永不會趨于消失,而是逐步惡化的.組中流過同樣電流,相對而言,容量大者總是處于小電流淺充淺放、趨于容量衰減緩慢、壽命延長,而容量小者總是處于大電流過充過放、趨于容量衰減加快、壽命縮短,兩者之間性能參數差異越來越大,形成正反饋特性,小容量提前失效,組壽命縮短,在下文的充放電特性分析中就必須包含過充電和過放電過程.

2.1充電

目前鋰離子電池充電重要是限壓限流法,初期恒流(CC)充電,電池接受能力最強,重要為吸熱反應,但溫度過低時,材料活性降低,可能提前進入恒流階段,因此在北方冬天低溫時,充電前把電池預熱可以改善充電效果.隨著充電過程不斷進行,極化用途加強,溫升加劇,伴隨析氣,電極過電位增高,電壓上升,當荷電達到約70~80%時,電壓達到最高充電限制電壓,轉入恒壓(CV)階段.理論上并不存在客觀的過充電壓閾值,若理解為析氣、升溫就意味著過充,則在恒流階段末期總是發生不同程度的過充,溫升達到40~50攝氏度,殼體形變容易感測,部分逸出氣體還可以復合,另一些就作為不可逆反應的結果,損失了容量,這可以看作電流強度超出電池接受能力.在恒壓階段,有稱涓流充電,大約花費30%的時間充入10%的電量,電流強度減小,析氣、溫升不再新增,并反方向變化.

2.2過充電

上述過程考慮電池組總電壓或平均電壓控制,其實總有單體電壓較高者,相對組內其它電池已經進入過充電階段.過充電時,若在恒流階段發生,由于電流強度大,電壓、溫升、內壓持續升高,以4V鋰為例,電壓達到4.5V時,溫升40度、塑料殼體變硬,4.6V時溫升可達60度、殼體形變明顯并不可恢復,若繼續過充,氣閥打開、溫升繼續升高、不可逆反應加劇.恒壓階段,電流強度較小,過充癥狀不如恒流階段顯著.只要溫升、內壓過高,就伴隨副反應,電池容量就會減少,而副反應具有慣性,發展到一定程度,可能在充電中也可能在充電結束后的短時間里使電池內部物質燃燒,導致電池報廢.過充電加速電池容量衰減、導致電池失效,百害無一利.

2.3放電

恒流放電時,電壓有一陡然跌落,重要由歐姆電阻造成壓降,這電阻包括連接單體電極的導線電阻和觸點電阻,電壓繼續下降,經過一段時間以后,到達新的電化學平衡,進入放電平臺期,電壓變化不明顯,放熱反應加電阻釋熱使電池溫升較高.放電電壓曲線近似單體放電曲線,持續放電,電壓曲線進入馬尾下降階段,極化阻抗增大,輸出效率降低,熱耗增大,接近終止電壓時停止放電.

上述過程用恒流特性模擬負載電機,實際汽車在行使中,電機輸出功率的變化很復雜,電流雙極性變化,即使勻速行使,路面顛簸、微小轉向都使輸出功率實時變化,在短時間段里,可以用恒流放電模擬分析,總之大的方向是放電,偶爾有不規則的零脈沖(無逆變功能)或負脈沖(有逆變功能,電池被充電)出現.

2.4過放電

考慮組內單體電池,必有相對的過放電情況.在放電后期,電壓接近馬尾曲線,組中單體容量正態分布,電壓分布很復雜,容量最小的單體電壓跌落得也就最早、最快,若這時其它電池電壓降低不是很明顯,小容量單體電壓跌落情況被掩蓋,已經被過度放電.

觀察單體過放情況,進入馬尾曲線以后,若電流持續較大,電壓迅速降低,并很快反向,這時電池被反方向充電,或稱被動放電,活性物質結構被破壞,另一種副反應很快發生,過一段時間,電池活性材料接近全部喪失,等效為一個無源電阻,電壓為負值,數值上等于反充電流在等效電阻上出現的壓降,停止放電后,原電池電動勢消失,電壓不能恢復,因此,一次反充電足以使電池報廢.

組中單體過放容易發生不易控制,電機控制器的限壓限流辦法都不起有效用途,電池輸出功率的變化出現的歐姆、極化電壓波動足以淹沒單體電壓跌落信號,組電壓監視失去意義.

2.5經濟速度與續駛里程

傳統汽車以經濟速度行駛耗油最省,用百公里耗油量評價,經濟速度由發動機效率、動力傳動效率和摩擦力決定,電動汽車也有經濟速度,由電池使用效率、電動機和控制器效率、摩擦阻力決定,經濟速度與電池組內阻有直接關系,在一定范圍內變化.以經濟速度行駛,電動汽車能達到最大的續駛里程.固定整車和電動機,續駛里程可以考察動力鋰電池組的能量供給能力,經濟速度反映了電池組功率供應能力,電動汽車希望動力鋰電池組能供應大容量和高功率.

2.6加速與爬坡

電動汽車在加速和爬坡時輸出功率大,電池組放電電流大,電壓跌落幅度也大,輸出效率下降,歐姆損耗增大,另一方面,電壓下降也會導致電機效率降低,工作條件惡劣,可能發生過強度放電,即超出電池電流輸出能力,此時電池組處于過載使用.防止過載的措施:使用功率較大的電池組;限電壓、電流、功率或其組合限制行使;平穩行使,限制加速度.

2.7剎車制動與逆變

只要加速度為負值,傳動機構就可以帶動發電機發電,回饋電能可以給電池組充電,將機械動能轉化為化學能存儲使用,瞬間逆變功率與輸出功率屬同一數量級,取決于發電機逆變效率,加速時有過強度放電,逆變時就有可能存在過強度充電.

2.8先進的電池組使用方法

過充過放對電池的損害都是致命的,不同之處僅在于過充出現大量氣體、易自燃和爆炸、表象劇烈,過放外觀變化和緩、但失效速度卻極快,在正常使用中都應嚴格防止出現.

鑒于相同原材料、同批次的單體電池,容量、內阻、壽命等性能參數符合正態分布并且離散程度有限;鑒于在相同的電流激勵條件下,單體電池電壓變化過程的一致性漸進逼近其它性能參數的一致性,其中最重要的參數是荷電程度;鑒于電池在未曾歷經過過充、過放的損害,在其生命期里不容易提前失效,可以推斷,假如在充放電過程中通過能量變換的辦法執行電池組中單體電壓的均衡控制,使單體電壓趨于一致,那么單體的相對荷電程度也趨于一致,可以實現同時充足電、也同時放空電,進而,電池組的壽命應接近于單體電池的平均壽命.

基于均衡控制,可進一步研究先進的充電方法.目前的限壓限流方法,無論在充電速度還是效果上都不夠科學,充電初期,極化效應并不激烈,電池的電流接受能力最強,充電電流還應該加大,恒流后期電池溫升、內壓增大,電流已經超出電池接受能力,電流應該減小,同時,極化用途、趨膚效應降低了材料反應的活性,可利用反向電流脈沖肖弱這些不利影響.

3動力鋰電池組的均衡控制和管理

要實現單體電壓的均衡控制,均衡器是電池管理系統的核心部件,離開均衡器,管理系統即使得到了電池組測量數據,也無所作為,也就無所謂管理.隨著電動汽車技術的不斷發展,電池組均衡裝置的需求已經迫在眉睫,已有許多研究,國外已有報道,如德國KaiserseLautern大學,日本本田公司等,國內技術尚未成熟.

3.1斷流與分流

均衡器按能量回路處理的方式分斷流和分流,斷流指在監控單體電壓變化的基礎上,在滿足一定條件時把單體電池的充電或負載回路斷開,通過機械觸點或電力電子部件組成開關矩陣,動態改變電池組內單體之間的連接結構,可能的斷流部件有機械、繼電器、半導體.電動汽車用電池組功率很大,瞬時電流可達數百安培而且雙極性變化,在考慮可行性、性價比、實用性、可靠性等諸多因素,斷流的執行難度極大,不適合在電動汽車上使用.

分流并不斷開電池的工作回路,而是給每只電池各新增一個旁路裝置,就象電池伴侶,兩者合起來的特性趨于電池組內平均素質的單體電池特性.

3.2能耗與回饋

能耗型指給各單體電池供應并聯電流支路,將電壓過高的單體電池通過分流轉移電能達到均衡目的,實現電流支路的裝置可以是可控電阻,或經能量變換器帶動空調、風機等耗電設備,其實質是通過能量消耗的辦法限制單體電池出現過高或過低的端電壓,只適合在靜態均衡中使用,其高溫升等特點降低了系統可靠性,消耗能源,在動態均衡中不可能使用.

與能耗不同,回饋通過能量變換器將單體之間的偏差能量饋送回電池組或組中某些單體.理論上,當忽略轉換效率時,回饋不消耗能量,可實現動態均衡.回饋型具有更高的研究價值和使用價值,最有可能達到實用化設計.

3.3能量變換器

電池電壓均衡利用能量變換裝置實現,依據高頻開關電源(SMpS)的原理和技術設計,基本的電源電路包括非隔離式的Buck、Boost、BuckBoost、Cuk、Sepic、Zeta,隔離式的有Forward、Flyback、pushpull、HalfBridge、FullBridge、Iso-Cuk等.充電時小容量電池充入較少能量,分流電路吸收電能,放電時分流電路補充能量,能量變換器應該實現雙向變換.原則上各種電源電路經改進設計都可以實現雙向,最簡單的方法是用兩個電源,輸入與輸出交叉并聯,兩個電路分別控制.由于受成本、體積與重量、長期工作的可靠性等因素的影響,雙向單變換器比單向雙變換器更加有優勢,是發展方向.

3.4靜態與動態

按均衡功能特點分充電、放電和動態均衡.充電均衡在充電過程中后期,單體電壓達到或超過截止電壓時,均衡電路開始工作,減小單體電流,以期限制單體電壓不高于充電截止電壓.與充電均衡類似,放電均衡在電池組輸出功率時,通過補充電能限制單體電壓不低于預設的放電終止電壓.充電截止電壓和放電終止電壓的設置與溫度有關聯.與充電和放電均衡不同,動態均衡不論在充電態、放電態,還是浮置狀態,都可以通過能量轉換的方法實現組中單體電壓的平衡,實時保持相近的荷電程度.

充電均衡的唯一功能是防止過充電,而在放電使用中帶來的負面影響使得使用這種均衡得不償失:不加充電均衡時,容量小的電池被一定程度過充,組內任何單體過放以前,電池組輸出Ah計電量略高于單體最小容量.使用充電均衡時,小容量電池沒有過充,能放出的電量小于不用均衡器時輕度過充所能釋放的電能,使得該單體電池放電時間更短,過放的可能性就更大了.另外,當電機控制器以組電壓降低到一定程度為依據減小或停止輸出功率時,由于大容量電池因充電均衡被充入更多電能而表現出較高的平臺電壓,淹沒和淡化了小容量電池的電壓跌落,將出現組電壓足夠高,而小容量單體已經過放.

放電均衡與充電均衡情形相似,大容量淺充足放,小容量過充足放,加速單體性能差異性變化的結果是相同的,都不能形成真正實用的產品,只有動態均衡集中了兩種均衡的優點,盡管單體之間初始容量有差異,工作中卻能保證相對的充放電強度和深度的一致性,漸進達到共同的壽命終點.

3.5單向和雙向

根據均衡器處理能量的可能流向分單向和雙向均衡,雙向型使用雙向變換器,輸入輸出方向動態調整.比較而言,雙向型更具優勢,基于均衡效率考慮,關于單向型均衡器,使用自組高壓到單體低壓的變換器適用于放電均衡,使用自單體低壓到組高壓的逆變器適合充電均衡.