【導讀】系統(tǒng)“均衡”技術(shù)并非新概念。“電池均衡”并不是新鮮的名詞,至少在鎳鎘電池上使用了30年。只是早期的技術(shù)簡單、低效,其原理和方法是:使用功率型電阻,把串聯(lián)中最高的哪節(jié)電池單體電壓,采用耗能的形式降下來,縮小壓差;同時,可防止因過充導致的事故。和今天的技術(shù)發(fā)展相比,在硬件和軟件管理方面,沒有可比性。但就其機理而言是相同的,同樣是:保障電池的安全性、縮小單體電池差異性。
“均衡”技術(shù)因電池串聯(lián)而生
電芯在系統(tǒng)中的應用,主要是通過串聯(lián)形式,獲取高電壓,來滿足負載要求。比如說額定48V電源的電壓,是由單體標稱3.7V ,12~13顆單體電芯串聯(lián)而成的電壓疊加效應。12~13顆電芯個體,因生產(chǎn)工藝的差異性,例如,生產(chǎn)日期、環(huán)境差異、極片厚度、面積、電解液加注量等等環(huán)節(jié),是無法做到一模一樣的,只能在一定范圍內(nèi)滿足偏差要求。所以,其本征物理量的差異性,就不難理解了。但是其串聯(lián)回路,在充放電時,流過的電流是一樣的。如果使用r代表一顆電芯的內(nèi)阻,哪么,因內(nèi)阻的差異,就會導致單體電芯表現(xiàn)的電壓不同。當在充電環(huán)節(jié)時,內(nèi)阻大的會提前充滿或接近上限電壓,這個時候,為了防止過充損壞或?qū)е聻碾y性結(jié)果,就需要把最高的單體電壓拉下來,接近或保持在上限數(shù)值內(nèi)。這就是均衡的一種形式,也是均衡技術(shù)的原型和基礎(chǔ)。在最早2010版的leaf,就采用了這種技術(shù)。我常把它歸結(jié)為 “保護型均衡”。原因是,其主要功能還是為了防止過充。
“均衡”是實現(xiàn)單體本征特性達到或趨于一致的過程
或者說,均衡是讓每個單體參數(shù)接近一組電芯的平均值。電壓是電池本征參數(shù)之一,很多時候,均衡最直接的表現(xiàn)形式,就是電壓的均衡。均衡前,串聯(lián)的電芯個體,表現(xiàn)出來就是電壓的不一致性??s小壓差,達到規(guī)定的數(shù)值,是均衡的另一種形式,也是最終需要實現(xiàn)的功能。
因串聯(lián)單體差異,SOC上限只能接近100%
從理論上計算,單體電壓按相同值計算,其荷電狀態(tài) SOC應為100%,U=V1×n。但是,現(xiàn)實應用中,SOC是不可能做到滿滿的。這一點,需要技術(shù)人員的理解,在設(shè)計過程中,提出技術(shù)需求時,只能是接近100%的數(shù)值,例如,上限SOC是95%,這是合理的。這個數(shù)據(jù)的確定,需要通過電芯本體的特性、系統(tǒng)的集成水平,通過實驗獲得。
如果是面對客戶的一些指標,的確也有SOC 100%估值提法,比如說在儀表顯示,但這是為了更好的讓客戶理解的一種做法。并不完全代表真實數(shù)據(jù)。
通過“均衡“,提升系統(tǒng)可用容量,這是怎么回事?
這個問題需要從兩個方面說起:一方面,站在充電的環(huán)節(jié)來分析,當沒有均衡電路功能時,串聯(lián)中,某一單體電壓達到上限時,監(jiān)控電路上報后啟動控制電路,停止繼續(xù)充電;當具備均衡電路功能時,會即時監(jiān)控壓差和上限電壓狀態(tài),并適時啟動均衡功能,拉高就低。實際上,等于延長了系統(tǒng)充電時間。充進去的容量,自然要大于沒有均衡功能的電路。其本質(zhì):通過壓差值控制、上限值控制增加了可充容量。
另一方面,從SOC可使用范圍說起,當沒有均衡功能時, SOC 兩頭的彈性區(qū)間是很“厚”的,虛值很大,為了保證安全,電池通常在20%到80%的SOC范圍內(nèi)使用,提供給負載只有60%。如果增加了均衡功能,SOC范圍完全可能從5%到95%,將可使用數(shù)值百分比增加到90%。其實,是讓電池可用部分增加了。其本質(zhì)表現(xiàn)為改變了DOD(充放電深度)。當然了,SOC 窗口邊界數(shù)值,會因電芯不同、BMS 不同,而存在差異的。不要拘泥于案例數(shù)值。
所以說,均衡功能更多的是改變了“木桶”原理最短的哪一塊板。
改變DOD深度,讓電池更高效
從上述分析,均衡電路的應用,可以很好的拓展SOC應用區(qū)間。假如說,一個系統(tǒng)10KWh, 如果可以提升10%的利用率,成本、重量、能量密度的貢獻,都是相當可觀的。當然了,SOC 區(qū)間可用部分,并不完全取決于均衡,還有多種因素存在,例如:電化學因素導致的SOC區(qū)間緩沖區(qū)間、SOC算法估計導致的SOC緩沖區(qū)間等,都是可用區(qū)間變窄的原因。所以說,電池系統(tǒng),才有了“掐頭去尾”這么一種說法。但是,均衡電路在其中的貢獻是一定存在的。需要綜合評估。我們有時評經(jīng)驗設(shè)定下限的做法,一個臺階就是5%,10%,沒有根據(jù)電芯固有特性、環(huán)境溫度等分別標定對待SOC邊界,做到精打細算,對于電池效率是一種很大的浪費。
均衡作用不會改變電芯固有本質(zhì)
前面重點闡述均衡本質(zhì),我們再回頭看看,對電芯的影響程度。電芯的本征,重點體現(xiàn)在內(nèi)阻、電壓的變化,這是可以直接測量的,潛在對應的是計算得出的功率和容量。在均衡功能對改善電池系統(tǒng)狀態(tài)方面,一直存在不同觀點和爭議。但是,有一點是可以肯定的:增加均衡功能,是無法改變電芯個體固有特性的。但是,是否可以延緩電芯性能的衰減,有待于進一步研究和使用數(shù)據(jù)證明。所以說,一味的把均衡功能作用夸大,是不正確的。
國內(nèi)外產(chǎn)品對均衡功能不同的應用和理解
在分析leaf、Volt、寶馬等國外車型的時候,發(fā)現(xiàn)其均衡功能,和我們理解的存在偏差:一方面從均衡硬件上,其均衡電流在100~200mA之間,這么小的電流平衡,其作用微乎其微。也有人歸結(jié)為電芯高品質(zhì)毋須大電流均衡。另一方面,在設(shè)計均衡硬件電路方面顯得非常謹慎,例如,采用專屬自己和產(chǎn)品的芯片,全面的散熱、間隔設(shè)計;充分的冗余設(shè)計。
總之,我認為其設(shè)計的核心,還是站在系統(tǒng)安全的高度完成的。高品質(zhì)電芯,的確可以使均衡電路簡化,有力的保障了系統(tǒng)的安全性、可靠性。同時,均衡本質(zhì)是在回路內(nèi)的能量內(nèi)循環(huán)。故障的發(fā)生可導致嚴重的后果。所以,切莫照顧電芯的品質(zhì),棄安全于不顧。這樣也會誤導了均衡的發(fā)展方向。
均衡技術(shù),不是低品質(zhì)電池的救命稻草
我在看到一些BMS廠家,拼命的把均衡電流放大,來迎合國內(nèi)一些低質(zhì)電池的應用。其實,這真得不是 BMS 廠家的買點和初衷,更多的是他們的無奈,因為他們也得在國內(nèi)市場存活。需要反思的:是整車廠提出得技術(shù)要求的嚴謹程度、電池廠家配套的電芯品質(zhì)。國內(nèi)電池與國外電池仍然存在大的差距,這是共識,所以說,國內(nèi)電芯品質(zhì)提升已然是迫在眉睫的事情,不僅需要前段一致性做好,關(guān)鍵是后段一致性也需要過硬。再輔于高效的均衡,這才是合理的和正確的發(fā)展思路。
進一步研究和探索
系統(tǒng)均衡,首先能保障系統(tǒng)更安全;其次是促進可充放電容量增加。其在深充深放的EV應用中,更能體現(xiàn)其優(yōu)勢。隨著新能源發(fā)展的深入,還有更多的技術(shù)問題需要研究分析,例如:均衡工作點的最優(yōu)切入點;如何準確捕捉判斷電池狀態(tài);如何有效降低電池個體衰減速度等等,都是需要不斷解決的問題。
來源:第一電動網(wǎng)
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