動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,通過機(jī)械觸點(diǎn)或電力電子部件組成開關(guān)矩陣,動態(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,不適合在電動汽車上使用.

分流并不斷開電池的工作回路,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,將電壓過高的單體電池通過分流轉(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)能量變換器帶動空調(diào)、風(fēng)機(jī)等耗電設(shè)備,其實(shí)質(zhì)是通過能量消耗的辦法限制單體電池出現(xiàn)過高或過低的端電壓,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,在動態(tài)均衡中不可能使用.

與能耗不同,回饋通過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)動態(tài)均衡.回饋型具有更高的研究價(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,是發(fā)展方向.

3.4 靜態(tài)與動態(tài)

按均衡功能特點(diǎn)分充電、放電和動態(tài)均衡.充電均衡在充電過程中后期,單體電壓達(dá)到或超過截止電壓時(shí),均衡電路開始工作,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充電,而在放電使用中帶來的負(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充,組內(nèi)任何單體過放以前,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),小容量電池沒有過充,能放出的電量小于不用均衡器時(shí)輕度過充所能釋放的電能,使得該單體電池放電時(shí)間更短,過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)出較高的平臺電壓,淹沒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,輸入輸出方向動態(tài)調(diào)整.比較而言,雙向型更具優(yōu)勢,基于均衡效率考慮,對于單向型均衡器,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