動力電池組特性分析與均衡管理

3.1 斷流與分流

均衡器按能量回路處理的方式分斷流和分流,斷流指在監控單體電壓變化的基礎上,在滿足一定條件時把單體電池的充電或負載回路斷開,通過機械觸點或電力電子部件組成開關矩陣,動態改變電池組內單體之間的連接結構,可能的斷流部件有機械、繼電器、半導體.電動汽車用電池組功率很大,瞬時電流可達數百安培而且雙極性變化,在考慮可行性、性價比、實用性、可靠性等諸多因素,斷流的實施難度極大,不適合在電動汽車上使用.

分流并不斷開電池的工作回路,而是給每只電池各增加一個旁路裝置,就象電池伴侶,兩者合起來的特性趨于電池組內平均素質的單體電池特性.

3.2 能耗與回饋

能耗型指給各單體電池提供并聯電流支路,將電壓過高的單體電池通過分流轉移電能達到均衡目的,實現電流支路的裝置可以是可控電阻,或經能量變換器帶動空調、風機等耗電設備,其實質是通過能量消耗的辦法限制單體電池出現過高或過低的端電壓,只適合在靜態均衡中使用,其高溫升等特點降低了系統可靠性,消耗能源,在動態均衡中不可能使用.

與能耗不同,回饋通過能量變換器將單體之間的偏差能量饋送回電池組或組中某些單體.理論上,當忽略轉換效率時,回饋不消耗能量,可實現動態均衡.回饋型具有更高的研究價值和使用價值,最有可能達到實用化設計.

3.3 能量變換器

電池電壓均衡利用能量變換裝置實現,依據高頻開關電源(SMPS)的原理和技術設計,基本的電源電路包括非隔離式的Buck、Boost、Buck Boost、Cuk、Sepic、Zeta,隔離式的有Forward、Flyback、Push Pull、Half Bridge、Full Bridge、Iso-Cuk等.充電時小容量電池充入較少能量,分流電路吸收電能,放電時分流電路補充能量,能量變換器應該實現雙向變換.原則上各種電源電路經改進設計都可以實現雙向,最簡單的方案是用兩個電源,輸入與輸出交叉并聯,兩個電路分別控制.由于受成本、體積與重量、長期工作的可靠性等因素的影響,雙向單變換器比單向雙變換器更有優勢,是發展方向.

3.4 靜態與動態

按均衡功能特點分充電、放電和動態均衡.充電均衡在充電過程中后期,單體電壓達到或超過截止電壓時,均衡電路開始工作,減小單體電流,以期限制單體電壓不高于充電截止電壓.與充電均衡類似,放電均衡在電池組輸出功率時,通過補充電能限制單體電壓不低于預設的放電終止電壓.充電截止電壓和放電終止電壓的設置與溫度有關聯.與充電和放電均衡不同,動態均衡不論在充電態、放電態,還是浮置狀態,都可以通過能量轉換的方法實現組中單體電壓的平衡,實時保持相近的荷電程度.

充電均衡的唯一功能是防止過充電,而在放電使用中帶來的負面影響使得使用這種均衡得不償失:不加充電均衡時,容量小的電池被一定程度過充,組內任何單體過放以前,電池組輸出Ah計電量略高于單體最小容量.使用充電均衡時,小容量電池沒有過充,能放出的電量小于不用均衡器時輕度過充所能釋放的電能,使得該單體電池放電時間更短,過放的可能性就更大了.另外,當電機控制器以組電壓降低到一定程度為依據減小或停止輸出功率時,由于大容量電池因充電均衡被充入更多電能而表現出較高的平臺電壓,淹沒和淡化了小容量電池的電壓跌落,將出現組電壓足夠高,而小容量單體已經過放.

放電均衡與充電均衡情形相似,大容量淺充足放,小容量過充足放,加速單體性能差異性變化的結果是相同的,都不能形成真正實用的產品,只有動態均衡集中了兩種均衡的優點,盡管單體之間初始容量有差異,工作中卻能保證相對的充放電強度和深度的一致性,漸進達到共同的壽命終點.

3.5 單向和雙向

根據均衡器處理能量的可能流向分單向和雙向均衡,雙向型使用雙向變換器,輸入輸出方向動態調整.比較而言,雙向型更具優勢,基于均衡效率考慮,對于單向型均衡器,使用自組高壓到單體低壓的變換器適用于放電均衡,使用自單體低壓到組高壓的逆變器適合充電均衡