動力電池組特性分析與均衡管理

2.1 充電

目前鋰電池充電主要是限壓限流法,初期恒流(CC)充電,電池接受能力最強,主要為吸熱反應,但溫度過低時,材料活性降低,可能提前進入恒流階段,因此在北方冬天低溫時,充電前把電池預熱可以改善充電效果.隨著充電過程不斷進行,極化作用加強,溫升加劇,伴隨析氣,電極過電位增高,電壓上升,當荷電達到約 70~80%時,電壓達到最高充電限制電壓,轉入恒壓(CV)階段.理論上并不存在客觀的過充電壓閾值,若理解為析氣、升溫就意味著過充,則在恒流階段末期總是發(fā)生不同程度的過充,溫升達到40~50攝氏度,殼體形變容易感測,部分逸出氣體還可以復合,另一些就作為不可逆反應的結果,損失了容量,這可以看作電流強度超出電池接受能力.在恒壓階段,有稱涓流充電,大約花費30%的時間充入10%的電量,電流強度減小,析氣、溫升不再增加,并反方向變化.

2.2 過充電

上述過程考慮電池組總電壓或平均電壓控制,其實總有單體電壓較高者,相對組內其它電池已經進入過充電階段.過充電時,若在恒流階段發(fā)生,由于電流強度大, 電壓、溫升、內壓持續(xù)升高,以4V鋰為例,電壓達到4.5V時,溫升40度 、塑料殼體變硬,4.6V時溫升可達60度、殼體形變明顯并不可恢復,若繼續(xù)過充,氣閥打開、溫升繼續(xù)升高、不可逆反應加劇.恒壓階段,電流強度較小,過充癥狀不如恒流階段顯著.只要溫升、內壓過高,就伴隨副反應,電池容量就會減少,而副反應具有慣性,發(fā)展到一定程度,可能在充電中也可能在充電結束后的短時間里使電池內部物質燃燒,導致電池報廢.過充電加速電池容量衰減、導致電池失效,百害無一利.

2.3 放電

恒流放電時,電壓有一陡然跌落,主要由歐姆電阻造成壓降,這電阻包括連接單體電極的導線電阻和觸點電阻,電壓繼續(xù)下降,經過一段時間以后,到達新的電化學平衡,進入放電平臺期,電壓變化不明顯,放熱反應加電阻釋熱使電池溫升較高.放電電壓曲線近似單體放電曲線,持續(xù)放電,電壓曲線進入馬尾下降階段,極化阻抗增大,輸出效率降低,熱耗增大,接近終止電壓時停止放電.

上述過程用恒流特性模擬負載電機,實際汽車在行使中,電機輸出功率的變化很復雜,電流雙極性變化,即使勻速行使,路面顛簸、微小轉向都使輸出功率實時變化,在短時間段里,可以用恒流放電模擬分析,總之大的方向是放電,偶爾有不規(guī)則的零脈沖 (無逆變功能)或負脈沖(有逆變功能,電池被充電)出現.

2.4 過放電

考慮組內單體電池,必有相對的過放電情況.在放電后期,電壓接近馬尾曲線,組中單體容量正態(tài)分布,電壓分布很復雜,容量最小的單體電壓跌落得也就最早、最快,若這時其它電池電壓降低不是很明顯,小容量單體電壓跌落情況被掩蓋,已經被過度放電

觀察單體過放情況,進入馬尾曲線以后,若電流持續(xù)較大,電壓迅速降低,并很快反向,這時電池被反方向充電,或稱被動放電,活性物質結構被破壞,另一種副反應很快發(fā)生,過一段時間,電池活性材料接近全部喪失,等效為一個無源電阻,電壓為負值,數值上等于反充電流在等效電阻上產生的壓降,停止放電后,原電池電動勢消失,電壓不能恢復,因此,一次反充電足以使電池報廢.

組中單體過放容易發(fā)生不易控制,電機控制器的限壓限流辦法都不起有效作用,電池輸出功率的變化產生的歐姆、極化電壓波動足以淹沒單體電壓跌落信號,組電壓監(jiān)視失去意義.

2.5 經濟速度與續(xù)駛里程

傳統汽車以經濟速度行駛耗油最省,用百公里耗油量評價,經濟速度由發(fā)動機效率、動力傳動效率和摩擦力決定,電動汽車也有經濟速度,由電池使用效率、電動機和控制器效率、摩擦阻力決定,經濟速度與電池組內阻有直接關系,在一定范圍內變化.以經濟速度行駛,電動汽車能達到最大的續(xù)駛里程.固定整車和電動機,續(xù)駛里程可以考察動力電池組的能量供給能力,經濟速度反映了電池組功率提供能力,電動汽車希望動力電池組能提供大容量和高功率.

2.6 加速與爬坡

電動汽車在加速和爬坡時輸出功率大,電池組放電電流大,電壓跌落幅度也大,輸出效率下降,歐姆損耗增大,另一方面,電壓下降也會導致電機效率降低,工作條件惡劣,可能發(fā)生過強度放電,即超出電池電流輸出能力,此時電池組處于過載使用.避免過載的措施:使用功率較大的電池組;限電壓、電流、功率或其組合限制行使;平穩(wěn)行使,限制加速度.

2.7 剎車制動與逆變

只要加速度為負值,傳動機構就可以帶動發(fā)電機發(fā)電,回饋電能可以給電池組充電,將機械動能轉化為化學能存儲使用,瞬間逆變功率與輸出功率屬同一數量級,取決于發(fā)電機逆變效率,加速時有過強度放電,逆變時就有可能存在過強度充電.

2.8 先進的電池組使用方法

過充過放對電池的損害都是致命的,不同之處僅在于過充產生大量氣體、易自燃和爆炸、表象劇烈,過放外觀變化和緩、但失效速度卻極快,在正常使用中都應嚴格避免出現

鑒于相同原材料、同批次的單體電池,容量、內阻、壽命等性能參數符合正態(tài)分布并且離散程度有限;鑒于在相同的電流激勵條件下,單體電池電壓變化過程的一致性漸進逼近其它性能參數的一致性,其中最重要的參數是荷電程度;鑒于電池在未曾歷經過過充、過放的損害,在其生命期里不容易提前失效,可以推斷,如果在充放電過程中通過能量變換的辦法實施電池組中單體電壓的均衡控制,使單體電壓趨于一致,那么單體的相對荷電程度也趨于一致,可以實現同時充足電、也同時放空電,進而,電池組的壽命應接近于單體電池的平均壽命.

基于均衡控制,可進一步研究先進的充電方法.目前的限壓限流方法,無論在充電速度還是效果上都不夠科學,充電初期,極化效應并不激烈,電池的電流接受能力最強,充電電流還應該加大,恒流后期電池溫升、內壓增大,電流已經超出電池接受能力,電流應該減小,同時,極化作用、趨膚效應降低了材料反應的活性, 可利用反向電流脈沖肖弱這些不利影響.

3 動力電池組的均衡控制和管理

要實現單體電壓的均衡控制,均衡器是電池管理系統的核心部件,離開均衡器,管理系統即使得到了電池組測量數據,也無所作為,也就無所謂管理.隨著電動汽車技術的不斷發(fā)展,電池組均衡裝置的需求已經迫在眉睫,已有許多研究,國外已有報道,如德國Kaiserse Lautern大學,日本本田公司等,國內技術尚未成熟.