动力电池组特性分析与均衡管理
2.1 充电
目前锂电池充电主要是限压限流法,初期恒流(CC)充电,电池接受能力最强,主要为吸热反应,但温度过低时,材料活性降低,可能提前进入恒流阶段,因此在北方冬天低温时,充电前把电池预热可以改善充电效果.随着充电过程不断进行,极化作用加强,温升加剧,伴随析气,电极过电位增高,电压上升,当荷电达到约 70~80%时,电压达到最高充电限制电压,转入恒压(CV)阶段.理论上并不存在客观的过充电压阈值,若理解为析气、升温就意味着过充,则在恒流阶段末期总是发生不同程度的过充,温升达到40~50摄氏度,壳体形变容易感测,部分逸出气体还可以复合,另一些就作为不可逆反应的结果,损失了容量,这可以看作电流强度超出电池接受能力.在恒压阶段,有称涓流充电,大约花费30%的时间充入10%的电量,电流强度减小,析气、温升不再增加,并反方向变化.
2.2 过充电
上述过程考虑电池组总电压或平均电压控制,其实总有单体电压较高者,相对组内其它电池已经进入过充电阶段.过充电时,若在恒流阶段发生,由于电流强度大, 电压、温升、内压持续升高,以4V锂为例,电压达到4.5V时,温升40度 、塑料壳体变硬,4.6V时温升可达60度、壳体形变明显并不可恢复,若继续过充,气阀打开、温升继续升高、不可逆反应加剧.恒压阶段,电流强度较小,过充症状不如恒流阶段显著.只要温升、内压过高,就伴随副反应,电池容量就会减少,而副反应具有惯性,发展到一定程度,可能在充电中也可能在充电结束后的短时间里使电池内部物质燃烧,导致电池报废.过充电加速电池容量衰减、导致电池失效,百害无一利.
2.3 放电
恒流放电时,电压有一陡然跌落,主要由欧姆电阻造成压降,这电阻包括连接单体电极的导线电阻和触点电阻,电压继续下降,经过一段时间以后,到达新的电化学平衡,进入放电平台期,电压变化不明显,放热反应加电阻释热使电池温升较高.放电电压曲线近似单体放电曲线,持续放电,电压曲线进入马尾下降阶段,极化阻抗增大,输出效率降低,热耗增大,接近终止电压时停止放电.
上述过程用恒流特性模拟负载电机,实际汽车在行使中,电机输出功率的变化很复杂,电流双极性变化,即使匀速行使,路面颠簸、微小转向都使输出功率实时变化,在短时间段里,可以用恒流放电模拟分析,总之大的方向是放电,偶尔有不规则的零脉冲 (无逆变功能)或负脉冲(有逆变功能,电池被充电)出现.
2.4 过放电
考虑组内单体电池,必有相对的过放电情况.在放电后期,电压接近马尾曲线,组中单体容量正态分布,电压分布很复杂,容量最小的单体电压跌落得也就最早、最快,若这时其它电池电压降低不是很明显,小容量单体电压跌落情况被掩盖,已经被过度放电
观察单体过放情况,进入马尾曲线以后,若电流持续较大,电压迅速降低,并很快反向,这时电池被反方向充电,或称被动放电,活性物质结构被破坏,另一种副反应很快发生,过一段时间,电池活性材料接近全部丧失,等效为一个无源电阻,电压为负值,数值上等于反充电流在等效电阻上产生的压降,停止放电后,原电池电动势消失,电压不能恢复,因此,一次反充电足以使电池报废.
组中单体过放容易发生不易控制,电机控制器的限压限流办法都不起有效作用,电池输出功率的变化产生的欧姆、极化电压波动足以淹没单体电压跌落信号,组电压监视失去意义.
2.5 经济速度与续驶里程
传统汽车以经济速度行驶耗油最省,用百公里耗油量评价,经济速度由发动机效率、动力传动效率和摩擦力决定,电动汽车也有经济速度,由电池使用效率、电动机和控制器效率、摩擦阻力决定,经济速度与电池组内阻有直接关系,在一定范围内变化.以经济速度行驶,电动汽车能达到最大的续驶里程.固定整车和电动机,续驶里程可以考察动力电池组的能量供给能力,经济速度反映了电池组功率提供能力,电动汽车希望动力电池组能提供大容量和高功率.
2.6 加速与爬坡
电动汽车在加速和爬坡时输出功率大,电池组放电电流大,电压跌落幅度也大,输出效率下降,欧姆损耗增大,另一方面,电压下降也会导致电机效率降低,工作条件恶劣,可能发生过强度放电,即超出电池电流输出能力,此时电池组处于过载使用.避免过载的措施:使用功率较大的电池组;限电压、电流、功率或其组合限制行使;平稳行使,限制加速度.
2.7 刹车制动与逆变
只要加速度为负值,传动机构就可以带动发电机发电,回馈电能可以给电池组充电,将机械动能转化为化学能存储使用,瞬间逆变功率与输出功率属同一数量级,取决于发电机逆变效率,加速时有过强度放电,逆变时就有可能存在过强度充电.
2.8 先进的电池组使用方法
过充过放对电池的损害都是致命的,不同之处仅在于过充产生大量气体、易自燃和爆炸、表象剧烈,过放外观变化和缓、但失效速度却极快,在正常使用中都应严格避免出现
鉴于相同原材料、同批次的单体电池,容量、内阻、寿命等性能参数符合正态分布并且离散程度有限;鉴于在相同的电流激励条件下,单体电池电压变化过程的一致性渐进逼近其它性能参数的一致性,其中最重要的参数是荷电程度;鉴于电池在未曾历经过过充、过放的损害,在其生命期里不容易提前失效,可以推断,如果在充放电过程中通过能量变换的办法实施电池组中单体电压的均衡控制,使单体电压趋于一致,那么单体的相对荷电程度也趋于一致,可以实现同时充足电、也同时放空电,进而,电池组的寿命应接近于单体电池的平均寿命.
基于均衡控制,可进一步研究先进的充电方法.目前的限压限流方法,无论在充电速度还是效果上都不够科学,充电初期,极化效应并不激烈,电池的电流接受能力最强,充电电流还应该加大,恒流后期电池温升、内压增大,电流已经超出电池接受能力,电流应该减小,同时,极化作用、趋肤效应降低了材料反应的活性, 可利用反向电流脉冲肖弱这些不利影响.
要实现单体电压的均衡控制,均衡器是电池管理系统的核心部件,离开均衡器,管理系统即使得到了电池组测量数据,也无所作为,也就无所谓管理.随着电动汽车技术的不断发展,电池组均衡装置的需求已经迫在眉睫,已有许多研究,国外已有报道,如德国Kaiserse Lautern大学,日本本田公司等,国内技术尚未成熟.
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