動(dòng)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(qiáng),主要為吸熱反應(yīng),但溫度過低時(shí),材料活性降低,可能提前進(jìn)入恒流階段,因此在北方冬天低溫時(shí),充電前把電池預(yù)熱可以改善充電效果.隨著充電過程不斷進(jìn)行,極化作用加強(qiáng),溫升加劇,伴隨析氣,電極過電位增高,電壓上升,當(dāng)荷電達(dá)到約 70~80%時(shí),電壓達(dá)到最高充電限制電壓,轉(zhuǎn)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(dá)到40~50攝氏度,殼體形變?nèi)菀赘袦y(cè),部分逸出氣體還可以復(fù)合,另一些就作為不可逆反應(yīng)的結(jié)果,損失了容量,這可以看作電流強(qiáng)度超出電池接受能力.在恒壓階段,有稱涓流充電,大約花費(fèi)30%的時(shí)間充入10%的電量,電流強(qiáng)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(shí)總有單體電壓較高者,相對(duì)組內(nèi)其它電池已經(jīng)進(jìn)入過充電階段.過充電時(shí),若在恒流階段發(fā)生,由于電流強(qiáng)度大, 電壓、溫升、內(nèi)壓持續(xù)升高,以4V鋰為例,電壓達(dá)到4.5V時(shí),溫升40度 、塑料殼體變硬,4.6V時(shí)溫升可達(dá)60度、殼體形變明顯并不可恢復(fù),若繼續(xù)過充,氣閥打開、溫升繼續(xù)升高、不可逆反應(yīng)加劇.恒壓階段,電流強(qiáng)度較小,過充癥狀不如恒流階段顯著.只要溫升、內(nèi)壓過高,就伴隨副反應(yīng),電池容量就會(huì)減少,而副反應(yīng)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(jié)束后的短時(shí)間里使電池內(nèi)部物質(zhì)燃燒,導(dǎo)致電池報(bào)廢.過充電加速電池容量衰減、導(dǎo)致電池失效,百害無一利.

2.3 放電

恒流放電時(shí),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(dǎo)線電阻和觸點(diǎn)電阻,電壓繼續(xù)下降,經(jīng)過一段時(shí)間以后,到達(dá)新的電化學(xué)平衡,進(jìn)入放電平臺(tái)期,電壓變化不明顯,放熱反應(yīng)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(jìn)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(shí)停止放電.

上述過程用恒流特性模擬負(fù)載電機(jī),實(shí)際汽車在行使中,電機(jī)輸出功率的變化很復(fù)雜,電流雙極性變化,即使勻速行使,路面顛簸、微小轉(zhuǎn)向都使輸出功率實(shí)時(shí)變化,在短時(shí)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(fù)脈沖(有逆變功能,電池被充電)出現(xiàn).

2.4 過放電

考慮組內(nèi)單體電池,必有相對(duì)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(fù)雜,容量最小的單體電壓跌落得也就最早、最快,若這時(shí)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(jīng)被過度放電

觀察單體過放情況,進(jìn)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(shí)電池被反方向充電,或稱被動(dòng)放電,活性物質(zhì)結(jié)構(gòu)被破壞,另一種副反應(yīng)很快發(fā)生,過一段時(shí)間,電池活性材料接近全部喪失,等效為一個(gè)無源電阻,電壓為負(fù)值,數(shù)值上等于反充電流在等效電阻上產(chǎn)生的壓降,停止放電后,原電池電動(dòng)勢(shì)消失,電壓不能恢復(fù),因此,一次反充電足以使電池報(bào)廢.

組中單體過放容易發(fā)生不易控制,電機(jī)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(chǎn)生的歐姆、極化電壓波動(dòng)足以淹沒單體電壓跌落信號(hào),組電壓監(jiān)視失去意義.

2.5 經(jīng)濟(jì)速度與續(xù)駛里程

傳統(tǒng)汽車以經(jīng)濟(jì)速度行駛耗油最省,用百公里耗油量評(píng)價(jià),經(jīng)濟(jì)速度由發(fā)動(dòng)機(jī)效率、動(dòng)力傳動(dòng)效率和摩擦力決定,電動(dòng)汽車也有經(jīng)濟(jì)速度,由電池使用效率、電動(dòng)機(jī)和控制器效率、摩擦阻力決定,經(jīng)濟(jì)速度與電池組內(nèi)阻有直接關(guān)系,在一定范圍內(nèi)變化.以經(jīng)濟(jì)速度行駛,電動(dòng)汽車能達(dá)到最大的續(xù)駛里程.固定整車和電動(dòng)機(jī),續(xù)駛里程可以考察動(dòng)力電池組的能量供給能力,經(jīng)濟(jì)速度反映了電池組功率提供能力,電動(dòng)汽車希望動(dòng)力電池組能提供大容量和高功率.

2.6 加速與爬坡

電動(dòng)汽車在加速和爬坡時(shí)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(huì)導(dǎo)致電機(jī)效率降低,工作條件惡劣,可能發(fā)生過強(qiáng)度放電,即超出電池電流輸出能力,此時(shí)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(dòng)與逆變

只要加速度為負(fù)值,傳動(dòng)機(jī)構(gòu)就可以帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電,回饋電能可以給電池組充電,將機(jī)械動(dòng)能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能存儲(chǔ)使用,瞬間逆變功率與輸出功率屬同一數(shù)量級(jí),取決于發(fā)電機(jī)逆變效率,加速時(shí)有過強(qiáng)度放電,逆變時(shí)就有可能存在過強(qiáng)度充電.

2.8 先進(jìn)的電池組使用方法

過充過放對(duì)電池的損害都是致命的,不同之處僅在于過充產(chǎn)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(yīng)嚴(yán)格避免出現(xiàn)

鑒于相同原材料、同批次的單體電池,容量、內(nèi)阻、壽命等性能參數(shù)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(lì)條件下,單體電池電壓變化過程的一致性漸進(jìn)逼近其它性能參數(shù)的一致性,其中最重要的參數(shù)是荷電程度;鑒于電池在未曾歷經(jīng)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(shí)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(duì)荷電程度也趨于一致,可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)充足電、也同時(shí)放空電,進(jìn)而,電池組的壽命應(yīng)接近于單體電池的平均壽命.

基于均衡控制,可進(jìn)一步研究先進(jìn)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(xué),充電初期,極化效應(yīng)并不激烈,電池的電流接受能力最強(qiáng),充電電流還應(yīng)該加大,恒流后期電池溫升、內(nèi)壓增大,電流已經(jīng)超出電池接受能力,電流應(yīng)該減小,同時(shí),極化作用、趨膚效應(yīng)降低了材料反應(yīng)的活性, 可利用反向電流脈沖肖弱這些不利影響.

3 動(dòng)力電池組的均衡控制和管理

要實(shí)現(xiàn)單體電壓的均衡控制,均衡器是電池管理系統(tǒng)的核心部件,離開均衡器,管理系統(tǒng)即使得到了電池組測(cè)量數(shù)據(jù),也無所作為,也就無所謂管理.隨著電動(dòng)汽車技術(shù)的不斷發(fā)展,電池組均衡裝置的需求已經(jīng)迫在眉睫,已有許多研究,國外已有報(bào)道,如德國Kaiserse Lautern大學(xué),日本本田公司等,國內(nèi)技術(shù)尚未成熟.