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浅谈电池均衡技术 破解动力锂电一致性难题

  2019-07-11 12:12:39
浅谈电池均衡技术 破解动力锂电一致性难题 随着国内外新能源汽车相关技术创新步伐的加快,新能源汽车产业化发展面临阶段。但是产业化之路进程缓慢,追根症结就是锂离子电池组间的一致性问题难以满足新能源汽车的需求,今天锂离子电池均衡方案为解决一致性问题带来了曙光。


国内外新能源汽车相关技术的创新步伐正在日益加快,新能源汽车特别是纯电动汽车的产业化道路也在日夜兼程。但是总有一些关键技术困扰新能源汽车产业的发展,动力电池一致性问题就是其中的问题之一。随着用户对纯电动汽车各项性能要求的日益提升,动力电池一致性问题也成为摆在产业发展面前一道绕不开的“坎儿”,如何有效解决电池一致性问题,成为新能源汽车产业健康发展的关键。


锂离子成组电池一致性亟需解决


锂离子动力电池作为新能源汽车的关键核心部件,其成组电池间的一致性问题,对于动力电池组寿命、整车安全性等方面都显得尤为重要。在实际应用中,因电池组间的差异,电池组中的某一单体电池率先失效,将会形成“多诺米效应”,致使整个电池组整体失效,严重影响电池组的安全和使用寿命,并威胁整车的正常使用。


锂电池一致性的变化是一个不断积累的过程,应用时间越长,单体电池间产生的差异就越大。同时使用环境也会造成单体电池间一致性的差异。


造成锂电池一致性差异的原因主要包括以下几个方面:首先是电池生产材料因不同批次导致电池单体在性能方面存在微小差别;其次,即使是同一批次的电池材料,因为工艺方面的瑕疵,如生产环境温、湿度等的细微变化,也会造成所生产的同一批次的电池存在一致性差异;再次,即使同一批次的同一型号电池容量和内阻同样可能存在差异性,即便是在生产过程中严格控制配料、活浆等工艺过程,也只能尽可能缩小批量产品之间的差异,而不能彻底解决一致性问题。


常见锂电池均衡方案


除了在电池材料和生产工艺等方面进行控制,减少电池间差异带来的整体性能的降低,通常还可以采用均衡的技术手段,来解决电池一致性问题。


锂电池均衡技术是指在锂电池成组后,通过人为干预使电池组内的所有电池综合性能趋于一致,其目的是确保电池组性能可以充分发挥,并保证电池在使用过程中的安全。根据均衡过程中电路对能量的消耗情况,均衡可分为能量耗散型和能量非消耗型两大类。


能量耗散型均衡是通过给电池组中每只电池并联一个电阻进行放电分流,从而实现均衡。这种电路结构简单,只将容量高的单体电池的能量消耗,存在能量浪费和进行热管理等问题,可能会造成安全隐患并加速电池老化。因此能量耗散型均衡通常适用于小型电池组、均衡电流要求不高的情况。


能量耗散型均衡一般分为两种:


①定分流电阻均衡充电电路,即每只单体电池都始终并联一个分流电阻,考虑电池的自放电及功耗,分流电阻取值一般为电池内阻的数十倍。该电路的优点是可靠性高,缺点在于无论电池处于充电还是放电过程,分流电阻始终消耗功率,因此一般在能量充足、可靠性要求高的场合适用。


②开关控制分流电阻均衡充电电路,分流电阻通过开关控制,在充电过程中,当单体电池电压达到终止电压时开始平衡,有最大单体电流充电电压和电池组平均电压两种控制策略。该均衡电路在充电期间,可对充电时电压偏高者进行分流,缺点是由于均衡时间的限制,导致分流时产生大量热需要管理。


能量非耗散型均衡通常使用储能原件转移能量使电池组电压保持一致。电路的能耗比能量耗散型要小,均衡电流大且效率较高,但电路结构相对复杂。此类均衡技术可分为能量转换式均衡和能量转移式均衡两种。


能量转换式均衡是通过开关信号,由锂离子电池组整体向单体电池进行补充,或者由单体电池向电池组通过同轴线圈进行能量转换。从成本和均衡效率来考虑,能量转换式可应用于助动车等小功率场合,但不适合扩展到更大的电池组中。


能量转移式均衡是利用电感或电容等储能原件,把锂离子电池组中容量高的单体电池中的能量转移到容量比较低的电池上。


其实从均衡的不同结构、机制、过程等,可以将均衡分成很多类型,本文仅从能量角度,将均衡分成能量耗散和非能量耗散型两种。对比两种均衡方法,我们不难看出,能量耗散型均衡技术简单,但仍存在很多问题,如果采用该方法,将会在其他方面增加电池组管理的复杂性和不确定性。非能量耗散型尽管电路复杂,但更“节能”,对电池组均衡效果也更好,也被业内看作是未来高性能均衡方案的主流。


其实各类均衡技术间并没有绝对的优胜者,很多情况下是多种均衡技术并存,但其目的都是为了提高电池的一致性,减少“木桶效应”对动力电池组方面的影响。只有切实提高电池组一致性,才能减少新能源汽车在使用方面的各类问题,推动新能源汽车产业的快速发展。

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