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终结难题的发明(一):蓄电池均衡系统及其控制方法

菜鸟
2024-07-11 08:02:15     打赏

随着新能源汽车的发展,动力电池进入了大众的视角。其实,对这种电池,大众是有些了解的,手机早就普遍应用了类似的锂电池。所以,大家也会自然地试图用手机电池的知识去理解动力电池。然而,动力电池和手机的电池,却有着天壤之别。在动力电池系统中会存在手机电池没有遇到的新挑战——多节电芯串联工作的均衡难题! 这个问题是困扰包括电动汽车在内的各类多节电芯串联应用场景中普遍存在的难题。很多状况,比如SOC不准,突然失速等等,甚至电池组突然损坏,很多是由这个均衡难题造成的。 在介绍这个发明之前,我先分析介绍一下:

一、什么是均衡难题(写得比较通俗,基本属于科普,专业人士可略过,直接进入二)

1)       为什么要串联

我们知道,电池都有特定的工作电压。干电池是1.5V,铅酸电池是2V,而锂电池是3.7V……我们的手机用单节3.7V电芯就够了,可是电动汽车往往需要高达几百伏的电压,这就需要把数十上百节电芯串联起来一起工作。所以,大家要明白,动力电池和手机电池不一样!

2)       不均衡的成因,a 效率性差异;b 容量性差异,c 自放电差异。

这么多电芯串联在一起工作,每个电池是否处于一致的状态呢? 这就是电池的均衡问题。电池的均衡,说的是在电池组充放电的任何工作状态中,构成电池组的各电芯保持电量一致。可是实际情况是,由于生产和老化损伤的差异以及实际温度和受力的差别,电池组是不均衡的。细分的话,以下原因造成了电池组的不均衡:

a 效率性差异,就是电芯在充电、放电时,电能和化学能的转换效率各不相同。比如一组100节电芯构成的电池组,假设开始时是均衡的,每节电芯都是20%的电量,那么总的SOC也是20%。然后进行了充电,对电池组充入了相当于电池组50%的电能。由于各电芯的充电效率不同,大部分电芯电量是68%,个别电芯是68.5%,还有个别的是67.5%。有人会问,剩下的电能哪去了? 主要是作为热能损失掉了。这也是为什么充电会放热。容易理解,在放电时,也会存在效率差异导致剩余电量不一致的情形

b 容量性差异,就是电芯的实际容量存在差异。比如标称100AH的电芯,可能实际容量是103AH,也可能是97AH 那么在类似前述a 的充电过程后,虽然看上去电量是一致的,可是对于实际容量103AH电芯而言,电量只达到了自身实际总容量的68%*100/103,也就是66%,而对于97AH的电芯而言,事实上电量已经达到了该电芯总容量的70%

c 自放电差异,就是电芯在不工作的时候,也会随着时间损失一些电量。而这一过程也会存在差异。比如前述68%的电芯,放置一月后,电量可能会降到66%,可是,个别电池还有66.5%的电量,也有个别电池电量只有65.5%

3)       “短板”效应

那么,电芯不均衡会有什么危害呢? 最显著的危害就是短板效应。我们知道,电芯不能过放电或过充电,也就是说,以前述一a情况为例,由于电压存在68.5%67.5%的差异,所以,放电时,该电池组最多只能放出67.5%部分的电量,然后就会因个别电芯电量过低而必须强行断电保护。那么,多数正常电池会剩余0.5%的电量无法使用。

容易理解,在反复的充放电过程中,这种电芯间的电量差距会越拉越大,经过10次反复的充放电循环后,差距拉大到10%(每次放电也是0.5的差异的话)。比如说,除了正常充放电,城市道路,反复的刹车油门,频繁上下坡,也都会引入这种差距的扩大。准确地说,电池组的放电余量是由电量最小的电芯决定的,充电余量是由电量最大的电芯决定的,而 放电余量 + 充电余量 构成电池的容量。比如极端情况,一组电池中如果有一个短板电芯的电量是10%,而另一个短板电芯的电量是90%,那么这个电池组的实际容量就降到了20%

4)       SOC误差

理解了电芯实际电量的不一致性以后,就容易理解动力电池组SOC的误差了。短板效应告诉我们,电池组的实际电量是由最差的那节短板电池决定的。可是,SOC是在统计整个电池组的总电量和总电压,所以当电池组的不一致程度变大时,SOC的误差也会变大。所以,就会出现失速:前一秒SOC还显示有25%的电量,这一秒却突然警告电池缺电,断电保护了,车子直接抛锚了。这就是电动车常见的失速问题。只不过厂家都是把这种情况归咎于车主没有认真留意剩余电量。其实也是死无对证的,每次电量保护后,只要通过软件对SOC自动归零,就不会留下任何证据。只要充电,一切又都好了。车主只能抱怨眼睛打折,撞见鬼了。。。

5)       “短板更短”效应

电芯不一致带来的危害不仅仅是前述短板效应,还会直接造成电芯更快老化。我们知道,电芯是有寿命的,每次充放电其实都会造成电芯实际的容量一定的衰减。上千次充放电以后,电芯的容量就会降到90%甚至80%。进一步地,不同的电量下,充放电对电芯的老化损伤是不一样的。对接近满电的电芯充电损伤会更大,反过来也是一样,对电量很低的电芯放电,损伤也会更大。这也是为什么手机厂家经常建议浅充浅放,来延长电池的寿命。可是电动汽车就不行了,手机是单一电芯,而动力电池是多节串联。我看到网上有些建议电动汽车不要充满,每次充电到80%就好,其实这会严重损坏电芯(后面会分析)。短板电芯由于电量与其他电池不同,总是比其他电池更早进入满电或低电状态,因此,在反复充放电的过程中,短板电芯的老化程度更严重。这就是“短板更短”效应!

至此,大家看到了双重的“恶性循环”:在反复的充放电过程中,不仅会引入电芯间的电量差异造成短板,而且,循环次数越多,这种电量差异会也来越大;更进一步,还会造成短板电芯的实际老化衰减程度越来越大(“短板更短”)

6)       目前的均衡手段

为了克服长串电池组的不均衡导致“短板效应”等危害,动力电池组都设计有专门的均衡电路。目前这些均衡电路的做法是普遍采用所谓的“被动均衡”电路,也就是充电过程中,在快充满时,启动SOC校准程序。大家注意,这个SOC校准和手机那种单电芯的电压校准完全是两回事!动力电池的SOC校准过程是,首先进入涓流充电,也就是用很小的电流慢慢充电。为什么要这样呢? 为了防止因过充电造成电芯损坏,需要高精度地监控测量每节电芯的电压,直到有一节电芯率先充饱。这时SOC校准程序会进入一个叫做“被动均衡”的过程,就是用旁路电路跳过充饱的那节电芯,继续对其他的电芯充电。不断重复上述过程,直到所有的电芯都充饱电。

讲到这里,大家可能明白了,为什么汽车厂家要求用户每个月至少要保证一次完全的充电!所以,对电动车主要小心了,“浅放”还是可取的,可是,长期“浅充”是不行的。长期浅充不仅会加大前述的短板效应,使电池组的真实可用容量不断下降,留下失速的隐患,更要命的是,还会引发“短板更短”效应,直接损伤电池组!!!

7)       难点分析

讲到这里,大家可能有一些疑问,电量均衡不就是测量一下每节电芯的电压,从电压高的电芯向电压低的电芯补电吗?其实,车厂不傻,他们不仅有博士硕士,很多还有院士,动力电池的均衡这个问题之所以成为世界难题,研究了几十年了,还没有彻底解决,是有原因的:首先,“测量一下电压”,其实并不容易。我们通过外部电路测量出来的各电芯电压,其实是电芯的外部电压。这个电压,在电芯大电流工作时,由于电芯内部的物理结构和化学进程的影响,除了内部电阻的影响,还表现出电感性和电容性的干扰,导致无法准确测量到电芯内部的实际真实电压。如果以电池工作时的外部表征电压来断定电芯的电量差异并以此确定均衡方向,反而会错上加错。采用涓流充电时进行被动均衡,就是为了避免这种情况。可能有的朋友要问了,不是还有主动均衡吗?在驻车的时候,不是有的是时间慢慢均衡吗?主动均衡,说的是从电量高的电芯中取一些电,补偿给电量低的电芯。要实现主动均衡,就需要拥有可以连接到任何一节电芯的单独充放电通路(事先无法知道哪节电芯会出现短板),也就是上百条通道,更何况,动力电池的电压达到数百伏,而高压半导体电路的代价是非常高昂的。

简言之,均衡难题,难就难在测量难题和电路复杂度难题!所以,大家如果检索一下有关电池均衡的专利,会看到数不过来的申请,可是,现在的电动汽车,均衡电路几乎都是充电末段的被动均衡,长期没有任何新进展。

二、创新方法

1)       冲破习惯思维

说到动力电池均衡问题,人们想到的都是一串上百节电芯串联在一起工作,它们的电量不均衡了,所以去要对电量差异进行补偿,使它们的电量达到均衡一致。基于这个想法,就必然需要精密的测量和对每个电芯专门的补偿通路。主动均衡也好,被动均衡也好,都是写进教科书的东西,好像也不可能再有别的什么办法了。。。

我也是这个东西困扰了好几年,终于有一天,摆脱了思维的惯性:一个动力电池组其实可以不止一个串联电芯串,其实可以来两串电芯串(其实这点还是容易突破的);然后,进一步地,两串电芯数量可以不一样!!!

2)       具体原理

目前,说的均衡,大家想到的只有主动均衡和被动均衡,本质上都是通过外部测量电路找出短板电芯,然后通过补偿电路进行补偿,使之电量均衡。也就是测量电路、补偿电路和控制逻辑。然而,大家都知道,其实只要两个电芯并联,它们之间就会自发地发生一种均衡:电量高的电芯自发地向电量低的电芯补电。我把这个现象叫做自然均衡。自然均衡的特点是没有测量电路,没有补偿电路,本质是用电芯测量电芯,用电芯补偿电芯。那么问题来了,两节电芯好解决,上百节怎么办?对,就是两串电芯错位并联!

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显然,断开所有KB开关,接通所有KA开关,可以实现两串电池的各电芯并联。反过来也是一样。不断切换开关组KAKB,就可以改变电芯EAEB间的并联对应关系,实现错位并联。进而利用错位并联,传递均衡效果,达到所有电芯均衡。不论在充电、放电、还是待机,都保持不间断的开关切换,就实现了全时的自然均衡。

3)       功率MOS电路

image.png

4)       成本

大家看到这里,可能有些小失望:那么多功率MOS,这得多少钱呀?!

这也是一个误区,其实差不多一年前,我就想到了“自然均衡”的方法,可是,那时的电路在成本上遇到了障碍,失败了。现在这个电路,大家仔细观察,就可以知道,这些开关的分断电压特别低,仅仅是一节电芯的电压。而这类工作电压低于10V的低速功率开关半导体,成本只有几美分!因此,整个电路的成本并不大,对电动汽车而言,可望低至1美元/度的水平。

 





关键词: BMS     动力电池     主动均衡     被动均衡    

专家
2024-07-11 08:01:28     打赏
2楼

是吧,厉害


专家
2024-07-11 09:16:47     打赏
3楼

感谢楼主分享


高工
2024-07-11 10:04:25     打赏
4楼

感谢楼主分享


专家
2024-07-11 12:02:18     打赏
5楼

谢谢分享


院士
2024-07-11 17:23:59     打赏
6楼

学习了,谢谢分享。


助工
2024-07-11 17:46:49     打赏
7楼

似乎这么操作有点问题,假如一个电池4V,一个电池3.1V,这种让他们一冲一放,电流是多少?有没有试过?更夸张的是每个MOS需要单独控制,需要多少个IO?占用多少资源?而且电池电压高低存在不确定性,需要双向。。。。


菜鸟
2024-07-11 22:10:11     打赏
8楼

回楼上,这是全时均衡电路。在充电、放电、存放时,都会保持均衡。已经均衡的电池组,不会出现很大的电压差。这和目前仅仅在一些特定时间才进行均衡的主动或被动电路不一样。


专家
2024-07-13 09:44:43     打赏
9楼

感谢楼主分享


工程师
2024-07-14 14:04:45     打赏
10楼

谢谢分享。学习了。


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