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鋰離子電池保護板的均衡功能介紹

鉅大LARGE  |  點擊量:80次  |  2020年10月25日  

摘要
鋰電池保護板被動均衡和主動均衡:  電池本身還有可用容量,卻因為電池之間不均衡以及為保護電池設置的安全電壓的限制導致電池系統無法繼續發揮應有的性能。另外,電池在車上的使用壽命比車輛本身的壽命短,即使車

鋰離子電池保護板被動均衡和主動均衡:


電池本身還有可用容量,卻因為電池之間不均衡以及為保護電池設置的安全電壓的限制導致電池系統無法繼續發揮應有的性能。另外,電池在車上的使用壽命比車輛本身的壽命短,即使車輛還沒有到達報廢年限,卻要為滿足動力性能而更換電池。但是,更換電池的成本又相當高,因此這在很大程度上制約了電動汽車的發展。


造成電池不均衡最重要的原因是溫度。一般情況下,鋰離子電池的使用環境溫度高于其最佳溫度10℃時,鋰離子電池的壽命會降低一半。由于車載電池系統的串聯數量非常多,一般在88~100串聯之間、其容量一般在20~60?kWh,每串電池裝載的位置不同而會出現溫度差。即使在同一個電池箱內,也會因為位置和電池受熱不同出現溫度差,而這個溫度差會對電池壽命出現重大負面影響,使電池出現不均衡,使得續航里程下降、循環壽命縮短。正是由于這些問題,導致整個電池系統的容量無法完全使用,造成電池系統損失,而減緩這樣的系統損失也就會大大延長電池系統的使用壽命。


電池系統初期容量是100%,在使用的過程中電池會因為各種原因(重要是溫度)逐漸衰減,這是鋰離子電池的特性。這部分的衰減無法通過均衡挽回。而造成系統容量下降的最重要的原因是電池容量不均衡導致的系統損失。系統損失并不是所有電池容量減少,而是指電池系統因為不均衡造成有容量也無法使用。


一般情況下,電池容量下降至70%~80%的時候會更換電池以保持續航里程,電池容量保持在70%以上的時間越長,電動汽車的成本也就越低。在沒有均衡和一般的被動均衡技術下,電池系統的容量不到3年(每天一次滿充滿放)就會下降至70%以下。做得較好的被動均衡可以將電池容量勉強維持在70%。與此形成鮮明比較的是,做得較好的主動均衡可以將系統損失降到最低度。這樣的主動均衡可以有效地降低因容量不均衡導致的系統損失,進而延長電池系統的使用壽命,延緩電池系統的更換時期,同時新增續航里程。被動均衡與主動均衡


在電池系統中擔任重要角色的鋰離子電池保護板作為延長電池壽命的有效手段,逐漸得到大家的重視,其中,起到關鍵用途的鋰離子電池保護板均衡系統也引起了廣泛關注。目前市場上均衡多串聯的電池系統有傳統的被動均衡和主動均衡兩種方式。


1.被動均衡


被動均衡一般通過電阻放電的方式,對電壓較高的電池進行放電,以熱量形式釋放電量,為其他電池爭取更多充電時間。這樣整個系統的電量受制于容量最少的電池。充電過程中,鋰離子電池一般有一個充電上限保護電壓值,當某一串電池達到此電壓值后,鋰離子電池保護板會切斷充電回路,停止充電。假如充電時的電壓超過這個數值,也就是俗稱的過充,鋰離子電池就有可能燃燒或者爆炸。因此,鋰離子電池保護板一般都具備過充保護功能,防止電池過充。


如圖2所示,充電過程中2號電池先被充電至保護電壓值,觸發鋰離子電池保護板的保護機制,停止電池系統的充電,這樣直接導致1號、3號電池無法充滿。整個系統的滿充電量受限于2號電池,這就是系統損失。為了新增電池系統的電量,鋰離子電池保護板會在充電時均衡電池。如圖3所示,均衡啟動后,鋰離子電池保護板會對2號電池進行放電,延遲其達到保護電壓值的時間,這樣1號、3號電池的充電時間也相應延長,進而提升整個電池系統的電量。但是,2號電池放電電量100%被轉換成熱量釋放,造成了很大的浪費(2號電池的散熱是系統的損失,也是電量的浪費)。


如圖4所示,除了過充對電池會有嚴重影響外,過放也會造成電池嚴重損壞。同樣,鋰離子電池保護板具備過放保護功能。放電時,2號電池的電壓到達放電保護值時,觸發鋰離子電池保護板的保護機制,停止系統放電,直接導致1號、3號電池的電池余量無法被完全使用,均衡啟動后會改善系統過放。


被動均衡的優點是成本低和電路設計簡單;而缺點為是以最低電池殘余量為基準進行均衡,無法新增殘量少的電池的容量,及均衡電量100%以熱量形式被浪費。


2.主動均衡


主動均衡是以電量轉移的方式進行均衡,效率高,損失小。不同廠家的方法不同,均衡電流也從1~10?A不等。目前市場上出現的很多主動均衡技術不成熟,導致電池過放,加速電池衰減的情況時有發生。市場上的主動均衡大多采用變壓原理,依托于芯片廠家昂貴的芯片。并且此方式除了均衡芯片外,還要昂貴的變壓器等周邊零部件,體積較大,成本較高。


如圖5所示,每6串電池為一組,取6串電池的總電量轉移給容量小的電池。電感式主動均衡以物理轉換為基礎,集成了電源開關和微型電感,采用雙向均衡方式,通過相近或相鄰電池間的電荷轉移均衡電池,并且不論電池處于放電、充電還是靜置狀態,都可以進行均衡,均衡效率高達92%。


其放電和充電工作原理,如圖6及圖7所示,2號電池將電量轉移給1號、3號電池。高效的電荷轉移,使得充電時3個電池的電壓一直保持在均衡狀態下,這樣所有電池都能充滿。鋰離子電池保護板在放電時,也可均衡電池。1號、3號電池將電量轉移給2號電池,3個電池的電壓一直在均衡狀態下放電,這樣所有電池電量都能用完。


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