五、电池的均衡管理
为什么需要电池均衡呢?首先一个串联的电池包,不管你怎么去筛选,总是会出现不均衡(电压差别、容量差别、内阻差别、充电和放电速度差别)现象。这样在实际使用过程中,每个单体电池的输出电量是不一样的。这里需要增加一个衡量电路,以提高电池包储电空间的利用率。在电池充放电时,出现的不均衡现象如图6所示。
电池不仅有过度放电和过度充电的限制,而且在不同温度和不同SOC下,最大的输入和输出的功率也存在限制。单个单体电池的限制,会影响到整个电池,但单个单体电池超限,并不代表整个电池组不安全,而是那个超限的单体电池会损坏。当然,串联在一起的电池包也遵循马太效应,由于其负荷是一致的,越弱(自放电大、容量低、发热大)的那个电池永远承受着越大的压力,那么在一个电池包内,这个电池也就老化的越快。实验证明,电池的最大放电功率和其工作温度及SOC状态是呈函数关系的,如图7所示。
影响电池不均衡的因素有哪些呢?如图8所示,这里的十三个影响因素被分为了五组。
1.电池包内各个单体电池之间的个体差异性(从出厂就具有的)。
①单体电池容量差异;
②单体电池内阻差异;
③单体电池自放电差异。
以上这三个因素,主要是由于单体在制造过程中的差异导致的。越好的制造商,能够制造出差异越小、均衡越好的电池。
④不同的工作电流导致的不均衡的概率分布,如图9所示。不同的电压、电流采集方案会不同程度加剧电池的不均衡,如图10所示。
⑤休眠时候电流差异:这个时候的电路差异,主要是集中在单体电池的输入端和均衡通路里,如图11所示。
2.电池包内随着时间变化(电池包的老化)会出现以下情况。
①单体电池容量差异;
②单体电池内阻差异;
③单体电池自放电差异。
以上这3个差异,都会导致电池组整体的储电能力还和工作能力严重下降。
3.客户在使用电动车时,应注意以下两个方面。
①充电时间;
②放电时间。
由于均衡的时间一般相对较长,放在什么时候做均衡比较好呢?一般对于插电式的NEV(电动车、新能源车型)来说,有3种状态:Park(停车状态)、Charging(充电状态)和Discharge(放电状态),这个时间决定了均衡的目标时间。
4.外部环境影响,包括以下方面。
①不同温度下的自放电;
②不同SOC(剩余电量)下的自放电。
5.系统间的相互影响
BMS电池管理系统的技术路线和工作状况会造成新的不均衡,比如电池管理系统的取电方法,电池采集线的布局形式,这些因素和BMS的工作状态有关系。
采用什么样的电池均衡方法,取决于硬件拓扑结构和软件的均衡算法两部分。
不同均衡方法的比较,如图12所示。均衡系统的目的是在比较良好的电池质量条件下,保证电池系统在苛刻的条件下长寿命运行。