化汽车电池包的运行时间的方案
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2021-01-19
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化汽车电池包的运行时间的方案化汽车电池包的运行时间的方案
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()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
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()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
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的允许和值因应用而异。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SoC和100%的SoC（或满电状态）
之间工作。需要长电池寿命的应用可能会将SoC范围限制在30%到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和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。
图
1.
电池单元均衡典型拓扑结构。
电池单元间不匹配会显著缩短运行时间电池单元间不匹配会显著缩短运行时间
电池单元间的容量或SoC不匹配可能会严重降低电池包可用容量，除非均衡电池单元。为使电池包容量化，要求在电池包充电和放电期间，电池单元
是均衡的。在图2所示的例子中，一个10单元串联电池包由（标称）100 安时电池单元组成，容量单元与容量单元的容量误差为±10%，对该电池包充电和
放电，直至达到预定SoC限值。如果SoC值限制在30%和70%之间，并且不进行均衡，则经过完全充电/放电循环之后，电池包可用容量相对于理论可用容
量减少25%。被动均衡理论上可以在电池包充电阶段均衡各电池单元的SoC，但在放电期间，无法阻止第10个单元先于其他单元达到30%的SoC水平。即
使在电池包充电期间进行被动均衡，在电池包放电期间也会损失可观的容量（不可用）。只有主动均衡解决方案才能恢复容量，在电池包放电期间将电荷
从高SoC单元重新分配给低SoC单元。
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