動(dòng)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?jǐn)嗔骱头至?斷流指在監(jiān)控單體電壓變化的基礎(chǔ)上,在滿足一定條件時(shí)把單體電池的充電或負(fù)載回路斷開(kāi),通過(guò)機(jī)械觸點(diǎn)或電力電子部件組成開(kāi)關(guān)矩陣,動(dòng)態(tài)改變電池組內(nèi)單體之間的連接結(jié)構(gòu),可能的斷流部件有機(jī)械、繼電器、半導(dǎo)體.電動(dòng)汽車用電池組功率很大,瞬時(shí)電流可達(dá)數(shù)百安培而且雙極性變化,在考慮可行性、性價(jià)比、實(shí)用性、可靠性等諸多因素,斷流的實(shí)施難度極大,不適合在電動(dòng)汽車上使用.

分流并不斷開(kāi)電池的工作回路,而是給每只電池各增加一個(gè)旁路裝置,就象電池伴侶,兩者合起來(lái)的特性趨于電池組內(nèi)平均素質(zhì)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(lián)電流支路,將電壓過(guò)高的單體電池通過(guò)分流轉(zhuǎn)移電能達(dá)到均衡目的,實(shí)現(xiàn)電流支路的裝置可以是可控電阻,或經(jīng)能量變換器帶動(dòng)空調(diào)、風(fēng)機(jī)等耗電設(shè)備,其實(shí)質(zhì)是通過(guò)能量消耗的辦法限制單體電池出現(xiàn)過(guò)高或過(guò)低的端電壓,只適合在靜態(tài)均衡中使用,其高溫升等特點(diǎn)降低了系統(tǒng)可靠性,消耗能源,在動(dòng)態(tài)均衡中不可能使用.

與能耗不同,回饋通過(guò)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(dāng)忽略轉(zhuǎn)換效率時(shí),回饋不消耗能量,可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)均衡.回饋型具有更高的研究?jī)r(jià)值和使用價(jià)值,最有可能達(dá)到實(shí)用化設(shè)計(jì).

3.3 能量變換器

電池電壓均衡利用能量變換裝置實(shí)現(xiàn),依據(jù)高頻開(kāi)關(guān)電源(SMPS)的原理和技術(shù)設(shè)計(jì),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(shí)小容量電池充入較少能量,分流電路吸收電能,放電時(shí)分流電路補(bǔ)充能量,能量變換器應(yīng)該實(shí)現(xiàn)雙向變換.原則上各種電源電路經(jīng)改進(jìn)設(shè)計(jì)都可以實(shí)現(xiàn)雙向,最簡(jiǎn)單的方案是用兩個(gè)電源,輸入與輸出交叉并聯(lián),兩個(gè)電路分別控制.由于受成本、體積與重量、長(zhǎng)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(yōu)勢(shì),是發(fā)展方向.

3.4 靜態(tài)與動(dòng)態(tài)

按均衡功能特點(diǎn)分充電、放電和動(dòng)態(tài)均衡.充電均衡在充電過(guò)程中后期,單體電壓達(dá)到或超過(guò)截止電壓時(shí),均衡電路開(kāi)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(shí),通過(guò)補(bǔ)充電能限制單體電壓不低于預(yù)設(shè)的放電終止電壓.充電截止電壓和放電終止電壓的設(shè)置與溫度有關(guān)聯(lián).與充電和放電均衡不同,動(dòng)態(tài)均衡不論在充電態(tài)、放電態(tài),還是浮置狀態(tài),都可以通過(guò)能量轉(zhuǎn)換的方法實(shí)現(xiàn)組中單體電壓的平衡,實(shí)時(shí)保持相近的荷電程度.

充電均衡的唯一功能是防止過(guò)充電,而在放電使用中帶來(lái)的負(fù)面影響使得使用這種均衡得不償失:不加充電均衡時(shí),容量小的電池被一定程度過(guò)充,組內(nèi)任何單體過(guò)放以前,電池組輸出Ah計(jì)電量略高于單體最小容量.使用充電均衡時(shí),小容量電池沒(méi)有過(guò)充,能放出的電量小于不用均衡器時(shí)輕度過(guò)充所能釋放的電能,使得該單體電池放電時(shí)間更短,過(guò)放的可能性就更大了.另外,當(dāng)電機(jī)控制器以組電壓降低到一定程度為依據(jù)減小或停止輸出功率時(shí),由于大容量電池因充電均衡被充入更多電能而表現(xiàn)出較高的平臺(tái)電壓,淹沒(méi)和淡化了小容量電池的電壓跌落,將出現(xiàn)組電壓足夠高,而小容量單體已經(jīng)過(guò)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(guò)充足放,加速單體性能差異性變化的結(jié)果是相同的,都不能形成真正實(shí)用的產(chǎn)品,只有動(dòng)態(tài)均衡集中了兩種均衡的優(yōu)點(diǎn),盡管單體之間初始容量有差異,工作中卻能保證相對(duì)的充放電強(qiáng)度和深度的一致性,漸進(jìn)達(dá)到共同的壽命終點(diǎn).

3.5 單向和雙向

根據(jù)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(dòng)態(tài)調(diào)整.比較而言,雙向型更具優(yōu)勢(shì),基于均衡效率考慮,對(duì)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