中心議題:
- 電動汽車電池的被動平衡技術(shù)
- 電動汽車電池的主動平衡技術(shù)
解決方案:
- 使用電容器的主動平衡
- 使用電感器的主動平衡
幾個單獨的電池單元以串聯(lián)方式相連接,當電池單元充電時,有可能發(fā)生某些電池單元還沒有充滿,但另一些電池單元已充滿的情況,從而導致某些電池單元過分充電。類似的,當電池單元放電時,有可能發(fā)生某些電池單元已完全放電,而另一些電池單元還有能量的情況,從而發(fā)生某些電池單元過度放電。為了避免上述兩種這些情況的發(fā)生,本文介紹了一種單個電池單元之間的主動平衡技術(shù),可以提高汽車電池的效率及使用壽命。
引言
電動和混合動力汽車重要弱點就在于其電池容量,以及由此帶來的行駛距離的限制。由于能夠安裝進汽車的最大電池尺寸常常受到體積和重量限制,因而優(yōu)化利用現(xiàn)有電池容量變得越來越重要。
要提供用于電動汽車的現(xiàn)代高性能電池所需的幾百伏電壓,通常需要將幾個單獨的電池單元以串聯(lián)方式相連接。電池組中的每個電池單元,電池單元容量、自放電率、溫度特性和電池阻抗等都各有不同,而且差異會隨著電池的老化而增大。當電池單元正在充電時,這種差異便會導致一種情形,即某些電池單元還沒有充滿足夠的電能,但另一些電池單元早已充滿電荷了。除非采取額外措施,否則充電過程必須終止,因為如果某個電池單元過分充電,就會發(fā)生損壞、甚至有可能完全毀壞。
類似的情形也會在放電時發(fā)生。與前相反,情況是某個電池單元早已完全放電,而其它的電池單元仍然具有足夠的能量可繼續(xù)為汽車提供動力(理論上的)。然而,這時汽車不可能繼續(xù)行走,因為這會使較弱的電池單元過度放電,結(jié)果會導致電池單元的損毀。為了避免上述兩種這些情況的發(fā)生,單個電池單元之間的主動平衡是必須的。
被動平衡方法將可用能量轉(zhuǎn)化為熱損耗
目前廣泛使用的方法是被動平衡技術(shù),就是使用電阻將早已充滿電的電池單元再次放電,以便其它電池單元能夠繼續(xù)充電。這個方法的缺點是顯而易見的:
- 出于平衡的目的,電池只能被放電
- 旁路電阻的放電電流引起功率損耗
- 寶貴的能量轉(zhuǎn)化為熱量,不能為汽車提供動力
- 減少汽車的行駛距離
圖1:使用電阻的被動平衡
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用主動平衡法實現(xiàn)快速和幾乎無損耗的電荷傳送
主動平衡是通過并聯(lián)電感和需獲取電荷的電池來實現(xiàn)的。此結(jié)果導致線圈中的電流持續(xù)增加。
一旦線圈已經(jīng)從通過晶體管放電的電池單元中去耦,電感中儲存的能量可通過一個二極管對鄰近電池充電。因而電荷可以在兩個單獨的電池單元之間來回地移動,實現(xiàn)極高效率并且?guī)缀鯚o損耗。此方法具有某些決定性的優(yōu)點:
- 平衡電流可能達到1A或以上
- 平衡在本質(zhì)上是無損耗的
- 平衡極其快速
- 增加了效率和電池容量
- 增加了汽車的行駛距離
被動平衡方法僅能將儲存在電池單元中的能量轉(zhuǎn)化為熱損耗,而主動平衡則能夠?qū)⒁粋€電池單元中的電荷傳送至另一電池單元。實現(xiàn)電荷傳送有幾種方法,如使用開關(guān)電容或電感。當使用電容式方法時,電容會與有較高電壓的電池單元并聯(lián)。一旦此電池單元完成充電,它即與有較低電壓的電池單元并聯(lián),能夠繼續(xù)為其充電。此過程會不斷重復,直至所有電池單元都達到相同的電壓為止。
使用電容器的方法具有很高的成本效益,但有個缺點就是平均的平衡電流被限制在50mA以下。使用電感方法則不存在此限制,并且在此情況下,很容易便達到1A或以上的平衡電流。
圖2:使用電容器的主動平衡
相比所提到的其它方法,使用電感實施主動平衡并不算是低成本的方法,因為當中使用了成本相對較高的電感元件。然而,這并不完全是個問題。現(xiàn)代高性能電池目前的成本接近10,000美元。而使用電感平衡方法,即使只獲得了額外的10%容量,也代表了1,000美元的價值--此金額可以用于購買大數(shù)量的電感器件。
圖3:使用電感器的主動平衡
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鋰離子電池基于安全的原因,必須監(jiān)控單個電池單元,因為過載會發(fā)生燃燒,在極端情況下甚至會發(fā)生爆炸。與過壓、欠壓和溫度監(jiān)控一樣,精確的充電條件測定等附加功能也是需要的。在半導體市場上已提供能實現(xiàn)所有這些功能與不同的平衡方法的元件。使用先進的主動電池單元平衡解決方案(如愛特梅爾ATA6870電池管理電路)每一個電池單元都有單獨的電子監(jiān)控,以便提供如充電狀態(tài)測定、主動/被動平衡或過壓、欠壓和溫度監(jiān)控等功能。
圖4:ATA6870鋰離子電池管理IC模塊圖
鋰離子電池系統(tǒng)的測量數(shù)據(jù)記錄和主動平衡
電池管理電路的核心由6個高精度12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器組成。每個電池單元由一個單獨的模數(shù)轉(zhuǎn)換器監(jiān)控。這種方法具有很多優(yōu)點,一方面可以同時測量所有的電池單元,另一方面,電池單元電壓無須傳輸模擬地,因而不會降低系統(tǒng)的準確度。除了提供有效的平衡,優(yōu)化電池單元容量的另一必要條件是精確記錄電池單元電壓,因為鋰離子電池具有非常平坦的特性曲線。因此在模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換后,電路傳輸數(shù)字電壓值而不會有準確度的損失。
ATA6870可以在單個電池單元之間同時實現(xiàn)被動平衡和主動平衡的器件,能夠使用電容器或電感器以串聯(lián)方式連接多達300個或更多的高性能電池。如要避免電池單元太多導致太長的平衡時間,可以使用這種解決方案在任何數(shù)量的電池單元中同時進行平衡。借助于此電路,現(xiàn)在有可能開發(fā)低成本的、高效安全的電池管理系統(tǒng),而且因為其可以非常精確地記錄單個電池單元的充電狀態(tài),加上平衡方法能夠提供高效率,因而可以從電池中攫取最后一點能量來驅(qū)動汽車運行。這為增加電動汽車和插電式混合動力車的行駛距離踏出一大步,進而能夠促進這些車輛的成功。