什么是電池衰減？

電池的衰減一般分為兩類,一類是電池內(nèi)部因化學物質(zhì)的損失導致的不可逆衰減,也稱作電池老化,而當氣候溫度變化或者電池電芯不一致時導致電池性能和續(xù)航里程下降,我們稱之為可逆衰減,既然衰減“可逆”,就有辦法延緩或恢復,其中氣候溫度變化可以通過恒溫控制解決,“電芯不一致”的狀況這時候就要有BMS(電池管理系統(tǒng))來為電池電芯“妙手回春”,其中很重要的“治療過程”就是“電池均衡”或稱之為電池均衡修復。

電池電芯的各種狀態(tài)?

新能源汽車的電池包通常由許多個電芯所組成考察電芯有兩個關(guān)鍵指標:一個是電芯容量,可以看做一個碗的容量,一個是電芯荷電狀態(tài)(即俗稱的剩余電量,以下簡稱SOC)可以看做碗里盛水的含量例如,50mL的碗里盛了25mL的水時此時的SOC就是50%,電池包下線出廠時所有電芯的容量和SOC基本一致,只有在這種狀態(tài)下所有電芯才能同步充滿和放空步調(diào)整齊,一致性好,一般存儲或出廠的SOC保持在10～20%左右。

電池儲存或出廠時,SOC在10%～20%左右

但隨著使用年限和充電次數(shù)的新增,電池內(nèi)部不可防止的出現(xiàn)變化每個電芯的容量或者SOC都會出現(xiàn)參差不齊的現(xiàn)象,根據(jù)木桶原理,一個平放的木桶它能裝的水量是由最短板,決定的電池包的容量也是如此。

木桶短板效應(yīng)示意

所有電芯都是同步充放電的在電芯容量或SOC不一致的情況下,只要有一個電芯充滿或放空其他電芯便不能再繼續(xù)充放電,因為假如繼續(xù)充放電會導致容量偏小的電芯出現(xiàn)過充過放現(xiàn)象,輕則導致電芯內(nèi)部鋰離子變?yōu)殇噯钨|(zhì)析出導致電芯內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞,降低電池包的壽命,重則可能引發(fā)電芯起火等危險事件,因此那顆最小容量或SOC的電芯相當于電池內(nèi)部的“最短木板”,它導致了電池包內(nèi)存儲的總能量減少縮短了可用的續(xù)航里程這就是電池包內(nèi)部的“木桶原理”

電池充點截止(容量最小電芯充滿就自動保護)

電芯間出現(xiàn)差異的原因是什么?

俗話說,想治病先診斷搞清“病因”很重要電芯間的差異一般有三種:

①SOC一致,容量不一致

這種狀態(tài)就類似碗的邊緣有了缺口原本能裝50ml水,但現(xiàn)在只能裝40ml,否則就會從缺口漏出來此時,容量小的最先充滿和放空是整個電池包容量的瓶頸以下圖為例,充電前三節(jié)容量不同的電芯它們都處于50%,SOC即當前電量都是滿電電量的一半,所以電池裝配Pack滿足第一個條件,容量一致性,不同容量電芯不能混合使用。

電池組SOC一致,但容量不一致

在充入相同的電量后,容量最小的電芯達到滿充狀態(tài),這時無法對電芯繼續(xù)進行充電,因為假如繼續(xù)充,滿充電芯將會過充電長期過充甚至會導致電芯起火等危險事件

容量不一致電池,充電狀態(tài)

對這些電芯進行放電時,容量最小的電芯同樣首先達到放空狀態(tài),此時無法繼續(xù)放電因為如繼續(xù)放電,已放空的電芯將會過放電長期過放會導致電芯內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞發(fā)生危險

容量不一致電池,放電狀態(tài)

②容量一致,SOC不一致

這種狀態(tài)下類似于每個碗都是完好的,但是碗內(nèi)的水量不盡相同,有的當前電量是滿電狀態(tài)的70%,有的是50%如下圖所示,容量相同的三節(jié)電芯SOC當前電量與滿電電量占比不相同,所以電池裝配Pack滿足第二個條件,SOC一致性,不同SOC電芯不能混合使用(當然也可以通過均衡設(shè)備修復SOC一致性)。

電池容量一致,SOC不同

SOC最高的電芯最先充滿,SOC最低電芯最先放空,而且此時只能停止充放電以防止過充和過放行為,發(fā)生SOC的電芯是整個電池包容量的瓶頸

電池容量一直,SOC不一致,充放電瓶頸

③容量和SOC都不一致

實際的用車場景往往更復雜,電芯的容量和SOC都可能不一致,這類似于有的碗有缺口有的碗沒有缺口,有缺口的碗的缺口大小還不一致同時,每個碗里的水量也不相同,這時無法再簡單地將電芯當前的容量或者SOC作為評判標準,這對均衡邏輯判斷及控制模塊提出了較高的要求

實際用車場景后的電池狀態(tài),容量與SOC更復雜

電池均衡如何工作?

電芯外部能夠?qū)崟r測量的變量有三個,電壓,電流與溫度將變量信息引入算法即可得到每節(jié)電芯的SOC值及此時電芯的可用容量,并以此綜合判斷電芯間的不一致狀態(tài)來決定電池包是否要進入均衡狀態(tài),電池均衡技術(shù)重要分為兩種被動均衡與主動均衡

電池與BMS板接線示意圖

被動均衡

又稱為能量耗散式均衡,工作原理是在每節(jié)電芯上并聯(lián)一個電阻,當某個電芯已經(jīng)提前充滿,而又要繼續(xù)給其它電芯充電時接上電阻,對其進行放電把多余的能量耗散掉

被動均衡電路設(shè)計

其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單,布局成本低硬件實現(xiàn)簡單等,在電動汽車上廣泛應(yīng)用缺點是多余的能量直接轉(zhuǎn)化為熱量散發(fā)能量使用效率低(被動均衡電流通常在1A以下),對電路穩(wěn)定性有影響因此,對被動均衡電路來說一個優(yōu)秀可靠的均衡控制策略就顯得尤為重要。

主動均衡

又稱非能量耗散式均衡,其原理為將能量高的電芯內(nèi)的能量轉(zhuǎn)移到能量低的電芯中去,比如說這個碗里裝不下東西時把部分東西貢獻轉(zhuǎn)移到?jīng)]有填滿的碗

主動均衡在充放電示意圖

主動均衡電路的優(yōu)勢在于能量損耗較小,但是其回路成本高,拓撲結(jié)構(gòu)復雜而且電容和電感的體積大會導致空間需求大等,因此如何攻破主動均衡在結(jié)構(gòu)硬件上的難題是目前各BMS研發(fā)團隊的研究重點之一。

主動均衡電路設(shè)計

不論是主動均衡還是被動均衡都是如何讓每個碗都盡量的多裝水,同時也可以將碗內(nèi)的水都盡量放空是電池均衡策略設(shè)計的最終目標。

被動均衡適合于小容量、低串數(shù)的鋰離子電池組應(yīng)用,主動均衡適用于高串數(shù)、大容量的動力型鋰離子電池組應(yīng)用。與其說哪種均衡技術(shù)更好,不如說這背后要采用的策略更為重要。