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电池老化 如何最大化汽车电池包的运行时间?

导读: 随着电动汽车的数量和行驶时间的不断增长,电池包内无规律的电池单元老化正在成为一个长期问题。

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对EV或PHEV而言,性能等同于电池动力支持的可行驶距离。EV和PHEV供应商不仅要提供高电池性能,还要提供数年的包括最短行驶距离的保修服务,以保持竞争力。随着电动汽车的数量和行驶时间的不断增长,电池包内无规律的电池单元老化正在成为一个长期问题。

由串联连接、高能量密度、高峰值功率的锂聚合物或磷酸铁锂(LiFePO4)电池单元组成的大电池包,广泛用于从纯电动车辆(EV或BEV)、油电混合动力车辆(HEV)、插电式混合动力车辆(PHEV)到能源存储系统(ESS)的各类应用中。特别是电动汽车市场,预计会对大型串联/并联电池单元阵列产生巨大需求。2016年全球PHEV汽车销量为77.5万辆,预计2017年销量为113万辆。尽管对大容量电池单元的需求不断增长,电池价格仍然相当高,构成EV或PHEV中价格最高的组件,支持续航小几百公里的电池价格通常在10,000美元左右。高成本可以通过使用低成本/翻新的电池单元来化解,但此类电池单元也将具有更大的容量不匹配性,进而减少单次充电后的可用运行时间或可行驶距离。即便是较高成本、较高质量的电池单元,重复使用后也会老化且不匹配。提高具有不匹配电池单元的电池包容量有两种办法:一种是从一开始就使用更大的电池,但这样做的性价比不高;另一种是使用主动均衡,这是一种新技术,可以恢复电池包中的电池容量,快速增强动力。

全串联电池单元需要均衡

当电池包中的每个电池单元具有相同的充电状态(SoC)时,我们说电池包中的电池单元是均衡的。SoC是指当电池充电和放电时,单个电池的当前剩余容量相对于其最大容量的比例。例如,一个10安时的电池单元若有5安时的剩余容量,则其SoC为50%。所有电池单元都必须保持在某一SoC范围内,以避免损坏电池或缩短寿命。SoC的允许最小和最大值因应用而异。在电池运行时间至关重要的应用中,所有电池单元可以在20%的最小SoC和100%的最大SoC(或满电状态)之间工作。需要最长电池寿命的应用可能会将SoC范围限制在最小30%到最大70%之间。这些是电动汽车和电网储存系统的典型SoC限制,它们使用非常大且昂贵的电池,更换成本极高。电池管理系统(BMS)的主要作用是严密监控电池包中的所有单元,确保没有任何电池单元充电或放电超出该应用的最小和最大SoC限值。

对于串联/并联电池单元阵列,一般可以认为并联连接的电池单元彼此之间会自动均衡。也就是说,随着时间推移,只要电池单元端子之间存在导电路径,并联连接的电池单元之间的充电状态就会自动均衡。同样可以认为,串联连接的电池单元的充电状态会随着时间推移而出现差异,原因有多方面。整个电池包中的温度梯度、阻抗、自放电速率或各电池单元负载之间的差异,可能导致SoC逐渐变化。尽管电池包充电和放电电流有助于使这些电池单元间差异变小,但除非周期性地均衡电池单元,否则累积的不匹配性将会有增无减。补偿电池单元的SoC渐变是均衡串联电池的最基本原因。通常情况下,被动或耗散均衡方案足以重新均衡电池包中容量接近的电池单元的SoC。

如图1a所示,被动均衡既简单又便宜。然而,被动均衡也非常缓慢,会在电池包内部产生有害的热量,均衡结果是将所有电池单元的剩余容量减少到与电池包中SoC最低的电池单元一致。此外,被动均衡缺乏能力有效解决另一种常见现象——容量不匹配引起的SoC误差。所有电池单元在老化时都会损失容量,损失速率往往不同,原因类似于串联电池单元的充电状态随着时间推移而出现差异。电池包电流均等地流入和流出所有串联电池单元,因此电池包的可用容量取决于电池包中容量最低的电池单元。只有图1b和图1c所示的主动均衡方法可以让电荷在整个电池包中重新分配,补偿电池单元间不匹配所造成的容量损失。

电池老化 如何最大化汽车电池包的运行时间?

图1. 电池单元均衡典型拓扑结构。

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