電池組有區(qū)別于單體電池的額外特性,基于目前的動(dòng)力電池設(shè)計(jì)與制造技術(shù)水平,單體之間的性能差異在其整個(gè)生命周期里客觀存在,要想避免單體由于過(guò)充、過(guò)放導(dǎo)致提前失效,使電池組的功能和性能指標(biāo)達(dá)到或者接近單體的平均水平,對(duì)電池組中單體之間實(shí)現(xiàn)均衡控制和管理是必由之路.電池組均衡管理是一門先進(jìn)的電池組使用技術(shù),需要結(jié)合動(dòng)力電池電化學(xué)模型、電子電源和計(jì)算機(jī)控制等多學(xué)科技術(shù)的最新研究成果,進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì).

前言

被認(rèn)為是未來(lái)汽車的電動(dòng)汽車是電動(dòng)源、電機(jī)和整車三大技術(shù)的結(jié)合體,電動(dòng)源是電動(dòng)汽車的核心部件,目前已經(jīng)形成動(dòng)力鋰離子電池及其專用材料的開(kāi)發(fā)熱潮.做為一種新型的動(dòng)力技術(shù),鋰電池在使用中必須串聯(lián)才能達(dá)到使用電壓的需要,單體性能上的參差不齊并不全是緣于電池的生產(chǎn)技術(shù)問(wèn)題,從涂膜開(kāi)始到成品要經(jīng)過(guò)多道工序,即使每道工序都經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的檢測(cè)程序,使每只電池的電壓、內(nèi)阻、容量一致,使用一段時(shí)間以后,也會(huì)產(chǎn)生差異,使得鋰動(dòng)力電池的使用技術(shù)問(wèn)題迫在眉睫,而且必須盡快解決.

動(dòng)力電池組的使用壽命受多種因素影響,如果電池組壽命低于單體平均壽命的一半以下,可以推斷都是由于使用技術(shù)不當(dāng)造成的,首要原因當(dāng)推過(guò)充和過(guò)放導(dǎo)致單體電池提前失效.本文結(jié)合鋰動(dòng)力電池特性、電子電源、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)研究動(dòng)力電池組的使用技術(shù),探討動(dòng)力電池組的均衡控制和管理.

1 動(dòng)力電池主要性能參數(shù)

1.1 電壓

開(kāi)路電壓=電動(dòng)勢(shì)+電極過(guò)電位,工作電壓=開(kāi)路電壓+電流在電池內(nèi)部阻抗上產(chǎn)生的電壓降.電動(dòng)勢(shì)由電極和電解質(zhì)材料特性決定,電極的過(guò)電位與材料活性、荷電狀態(tài)和工況有關(guān).金屬鋰標(biāo)準(zhǔn)電極電位-3.05V,3V鋰電池3.3~2.3V,4V鋰4.2~3.7V,5V鋰4.9V~3.0V

1.2 內(nèi)阻

電池在短時(shí)間內(nèi)的穩(wěn)態(tài)模型可以看作為一個(gè)電壓源,其內(nèi)部阻抗等效為電壓源內(nèi)阻,內(nèi)阻大小決定了電池的使用效率.電池內(nèi)阻包括歐姆電阻和極化電阻兩部分,歐姆電阻不隨激勵(lì)信號(hào)頻率變化,又稱交流電阻,在同一充放電周期內(nèi),歐姆電阻除溫升影響外變化很小.極化電阻由電池電化學(xué)特性對(duì)外部充放電表現(xiàn)出的抵抗反應(yīng)產(chǎn)生,與電池荷電、充放強(qiáng)度、材料活性都有關(guān).同批電池,內(nèi)阻過(guò)大或過(guò)小者都不正常,內(nèi)阻過(guò)小可能意味材料枝晶生長(zhǎng)和微短路,內(nèi)阻太大又可能是極板老化、活性物質(zhì)喪失、容量衰減,內(nèi)阻變化可以作為電池裂化的充分性參考依據(jù)之一.

1.3 溫升

電池溫升定義為電池內(nèi)部溫度與環(huán)境溫度的差值.多數(shù)鋰電池充電時(shí)屬吸熱反應(yīng),放電時(shí)為放熱反應(yīng),兩者都包含內(nèi)阻熱耗.充電初期,極化電阻最小,吸熱反應(yīng)處于主導(dǎo)地位,電池溫升可能出現(xiàn)負(fù)值,充電后期,阻抗增大,釋熱多于吸熱,溫升增加,過(guò)充時(shí),隨不可逆反應(yīng)的出現(xiàn),逸出氣體,內(nèi)壓、溫升升高,直到變形、爆裂.

1.4 內(nèi)壓

電池內(nèi)部壓力,由于電池內(nèi)部反應(yīng)逸出氣體導(dǎo)致氣壓增大,氣壓過(guò)大將撐破殼體和發(fā)生爆裂,基于安全考慮,一方面鋰電池都設(shè)計(jì)了單向的防爆閥門,一方面用塑殼制造.析氣反應(yīng)常伴隨著不可逆反應(yīng),也就意味著活性物質(zhì)的損失、電池容量的下降,無(wú)析氣、小溫升充放電是最理想的

1.5 電量

電學(xué)里,電量用Wh表示,是能量單位,一度電等于1kWh,電池常用Ah計(jì)算電量,對(duì)于動(dòng)力電池側(cè)重于功率和能量大小,用Wh更直接一些,因?yàn)殡姵氐碾妷菏亲兓?其全程變化量可達(dá)到極大值的一半左右,用Ah計(jì)算電量不能正確描述電池的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)能力,但Ah作為電池的電量單位自有其歷史和道理,在不引起歧義的地方兩種電量單位都可以使用

1.6 荷電

電池還有多少電量,又稱剩余電量,常取其與額定容量或?qū)嶋H容量的比值,稱荷電程度.是人們?cè)谑褂弥凶铌P(guān)心的、也是最不易獲得的參數(shù)數(shù)據(jù),人們?cè)噲D通過(guò)測(cè)量?jī)?nèi)阻、電壓電流的變化等推算荷電量,做了許多研究工作,但直到目前,任何公式和算法都不能得到統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的有效支持,指示的荷電程度總是非線性變化

1.7 容量

電池在充足電以后,開(kāi)始放電直到放空電為止,能輸出的最大電量.容量與放電電流大小有關(guān),與充放電截止電壓也有關(guān)系,故容量定義為小時(shí)率容量,動(dòng)力電池常用1小時(shí)率(1C)或2小時(shí)率(0.5C)容量.電池在化成之前材料的活性不能正常發(fā)揮,容量很小,化成過(guò)程開(kāi)始后,電池進(jìn)入其生命期,在整個(gè)生命期里, 電池的活化和劣化過(guò)程是一個(gè)問(wèn)題的兩個(gè)方面,初期活化作用處于主導(dǎo)地位,電池容量逐漸上升,以后,活化和劣化作用都不明顯或相當(dāng),后期,劣化作用顯著,容量衰減,規(guī)定容量衰減到一定比例(60%)后,電池壽命終結(jié).

1.8 功率

?? 電學(xué)定義直流電源的輸出功率等于輸出電壓與電流的乘積,鋰電池單體電壓高,在相同的輸出電流下,其功率分別是鉛酸、鎳鎘鎳氫的1.8倍和3倍.電動(dòng)汽車用動(dòng)力電池組的負(fù)載是電機(jī)控制器,電機(jī)控制器根據(jù)車速變化調(diào)整輸出功率,短時(shí)間來(lái)看,電池組驅(qū)動(dòng)的是恒功率負(fù)載,這個(gè)功率變化的范圍極大,制動(dòng)時(shí)有與加速時(shí)相近的反向逆變功率.

1.9 效率

電池的效率指電池的充放電效率或能量輸出效率,本文指后者.對(duì)于電動(dòng)汽車,續(xù)駛里程是最重要指標(biāo)之一,在電池組電量和輸出阻抗一定的前提下,根據(jù)能量守恒定律,電池組輸出的能量轉(zhuǎn)化為兩部分,一部分作為熱耗散失在電阻上,另一部分提供給電機(jī)控制器轉(zhuǎn)化為有效動(dòng)力,兩部分能量的比率取決于電池組輸出阻抗和電機(jī)控制器的等效輸入阻抗之比,電池組的阻抗越小,無(wú)用的熱耗就越小,輸出效率就更大.

1.10 壽命

單體電池壽命定義和測(cè)試程序已被人們普遍接受并形成許多標(biāo)準(zhǔn),測(cè)試壽命時(shí),可保證不過(guò)充、過(guò)放,也就不會(huì)提前失效,與單體不同,電池組的壽命測(cè)試目前的做法不科學(xué),在一定程度上限制了動(dòng)力鋰電池的實(shí)用化進(jìn)程.提供者強(qiáng)調(diào)每只電池的電壓不可超越規(guī)定的限值,電池組的壽命應(yīng)該是各單體電池壽命的最小者,其值應(yīng)該與單體平均壽命相差不會(huì)太多,測(cè)試人員模擬電池組使用情況,用對(duì)單體電池相同的方法測(cè)試壽命,電壓限值取單體電壓限值與數(shù)量乘積,實(shí)際限制的是單體平均電壓,組內(nèi)單體電壓有低有高,對(duì)于幾十只、上百只的電池組,電壓、容量、內(nèi)阻的差異性總是客觀存在的,過(guò)充過(guò)放無(wú)法避免,并且一旦發(fā)生相關(guān)電池將很快報(bào)廢,因此就出現(xiàn)專家組測(cè)試的電動(dòng)汽車動(dòng)力電池組的壽命還沒(méi)有突破過(guò)百次.

1.11 安全

動(dòng)力電池的工作條件苛刻,主要的安全問(wèn)題是電池自身爆炸、燃燒和導(dǎo)致的電火,在電動(dòng)汽車研發(fā)進(jìn)程中,發(fā)生過(guò)多次起火事件,對(duì)電動(dòng)汽車的發(fā)展造成了負(fù)面影響,通過(guò)多種渠道了解,在這些事故中,有電池自燃的,有車輛被燒毀的,甚至動(dòng)用消防隊(duì)滅火,許多單位顧忌影響而施行保密策略,事發(fā)第一現(xiàn)場(chǎng)很難到場(chǎng),總結(jié)這些不完全的事故信息,初步有以下推斷:
· 長(zhǎng)期在庫(kù)存的電池未發(fā)生過(guò)自燃和爆炸,運(yùn)輸過(guò)程中也沒(méi)出現(xiàn)自燃的;
· 電池爆炸發(fā)生于充電后期或已經(jīng)結(jié)束,充電設(shè)備和方法難脫干系;
· 外部電路短路可以造成強(qiáng)電弧或使導(dǎo)線燃燒,也可以導(dǎo)致自燃,一般的電壓、電流源都有此特性;
· 用組電壓或電流限制不能避免電池的過(guò)充過(guò)放;
· 過(guò)充電可能使電池變形、失效、燃燒、甚至爆炸,過(guò)放電(反充電)一次足以使電池報(bào)廢;
· 一些受試電池通過(guò)了苛刻的用沖鋒槍射擊、擠壓破裂短路、水淋、水泡等安規(guī)測(cè)試.

總之,電池的正確使用技術(shù)是非常重要的.

2 動(dòng)力電池組充放電特性

以單體電池為動(dòng)力源如移動(dòng)電話,電源管理技術(shù)已經(jīng)十分完善,但在電池組中,單體之間的差異總是存在的,以容量為例,其差異性永不會(huì)趨于消失,而是逐步惡化的.組中流過(guò)同樣電流,相對(duì)而言,容量大者總是處于小電流淺充淺放、趨于容量衰減緩慢、壽命延長(zhǎng),而容量小者總是處于大電流過(guò)充過(guò)放、趨于容量衰減加快、壽命縮短,兩者之間性能參數(shù)差異越來(lái)越大,形成正反饋特性,小容量提前失效,組壽命縮短,在下文的充放電特性分析中就必須包含過(guò)充電和過(guò)放電過(guò)程.

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(guò)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(guò)程不斷進(jìn)行,極化作用加強(qiáng),溫升加劇,伴隨析氣,電極過(guò)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(guò)充電壓閾值,若理解為析氣、升溫就意味著過(guò)充,則在恒流階段末期總是發(fā)生不同程度的過(guò)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(guò)充電

? 上述過(guò)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(guò)充電階段.過(guò)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(guò)充,氣閥打開(kāi)、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(guò)充癥狀不如恒流階段顯著.只要溫升、內(nèi)壓過(guò)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(guò)充電加速電池容量衰減、導(dǎo)致電池失效,百害無(wú)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(guò)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(guò)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(wú)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(guò)放電

考慮組內(nèi)單體電池,必有相對(duì)的過(guò)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(guò)度放電

觀察單體過(guò)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(guò)一段時(shí)間,電池活性材料接近全部喪失,等效為一個(gè)無(wú)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(guò)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(méi)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(guò)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(guò)載使用.避免過(guò)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(guò)強(qiáng)度放電,逆變時(shí)就有可能存在過(guò)強(qiáng)度充電.

2.8 先進(jìn)的電池組使用方法

過(guò)充過(guò)放對(duì)電池的損害都是致命的,不同之處僅在于過(guò)充產(chǎn)生大量氣體、易自燃和爆炸、表象劇烈,過(guò)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(guò)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(guò)過(guò)充、過(guò)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(guò)程中通過(guò)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(wú)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(kāi)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(wú)所作為,也就無(wú)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(guó)外已有報(bào)道,如德國(guó)Kaiserse Lautern大學(xué),日本本田公司等,國(guó)內(nèi)技術(shù)尚未成熟.

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