动力电池组特性分析与均衡管理

3.1 断流与分流

均衡器按能量回路处理的方式分断流和分流,断流指在监控单体电压变化的基础上,在满足一定条件时把单体电池的充电或负载回路断开,通过机械触点或电力电子部件组成开关矩阵,动态改变电池组内单体之间的连接结构,可能的断流部件有机械、继电器、半导体.电动汽车用电池组功率很大,瞬时电流可达数百安培而且双极性变化,在考虑可行性、性价比、实用性、可靠性等诸多因素,断流的实施难度极大,不适合在电动汽车上使用.

分流并不断开电池的工作回路,而是给每只电池各增加一个旁路装置,就象电池伴侣,两者合起来的特性趋于电池组内平均素质的单体电池特性.

3.2 能耗与回馈

能耗型指给各单体电池提供并联电流支路,将电压过高的单体电池通过分流转移电能达到均衡目的,实现电流支路的装置可以是可控电阻,或经能量变换器带动空调、风机等耗电设备,其实质是通过能量消耗的办法限制单体电池出现过高或过低的端电压,只适合在静态均衡中使用,其高温升等特点降低了系统可靠性,消耗能源,在动态均衡中不可能使用.

与能耗不同,回馈通过能量变换器将单体之间的偏差能量馈送回电池组或组中某些单体.理论上,当忽略转换效率时,回馈不消耗能量,可实现动态均衡.回馈型具有更高的研究价值和使用价值,最有可能达到实用化设计.

3.3 能量变换器

电池电压均衡利用能量变换装置实现,依据高频开关电源(SMPS)的原理和技术设计,基本的电源电路包括非隔离式的Buck、Boost、Buck Boost、Cuk、Sepic、Zeta,隔离式的有Forward、Flyback、Push Pull、Half Bridge、Full Bridge、Iso-Cuk等.充电时小容量电池充入较少能量,分流电路吸收电能,放电时分流电路补充能量,能量变换器应该实现双向变换.原则上各种电源电路经改进设计都可以实现双向,最简单的方案是用两个电源,输入与输出交叉并联,两个电路分别控制.由于受成本、体积与重量、长期工作的可靠性等因素的影响,双向单变换器比单向双变换器更有优势,是发展方向.

3.4 静态与动态

按均衡功能特点分充电、放电和动态均衡.充电均衡在充电过程中后期,单体电压达到或超过截止电压时,均衡电路开始工作,减小单体电流,以期限制单体电压不高于充电截止电压.与充电均衡类似,放电均衡在电池组输出功率时,通过补充电能限制单体电压不低于预设的放电终止电压.充电截止电压和放电终止电压的设置与温度有关联.与充电和放电均衡不同,动态均衡不论在充电态、放电态,还是浮置状态,都可以通过能量转换的方法实现组中单体电压的平衡,实时保持相近的荷电程度.

充电均衡的唯一功能是防止过充电,而在放电使用中带来的负面影响使得使用这种均衡得不偿失:不加充电均衡时,容量小的电池被一定程度过充,组内任何单体过放以前,电池组输出Ah计电量略高于单体最小容量.使用充电均衡时,小容量电池没有过充,能放出的电量小于不用均衡器时轻度过充所能释放的电能,使得该单体电池放电时间更短,过放的可能性就更大了.另外,当电机控制器以组电压降低到一定程度为依据减小或停止输出功率时,由于大容量电池因充电均衡被充入更多电能而表现出较高的平台电压,淹没和淡化了小容量电池的电压跌落,将出现组电压足够高,而小容量单体已经过放.

放电均衡与充电均衡情形相似,大容量浅充足放,小容量过充足放,加速单体性能差异性变化的结果是相同的,都不能形成真正实用的产品,只有动态均衡集中了两种均衡的优点,尽管单体之间初始容量有差异,工作中却能保证相对的充放电强度和深度的一致性,渐进达到共同的寿命终点.

3.5 单向和双向

根据均衡器处理能量的可能流向分单向和双向均衡,双向型使用双向变换器,输入输出方向动态调整.比较而言,双向型更具优势,基于均衡效率考虑,对于单向型均衡器,使用自组高压到单体低压的变换器适用于放电均衡,使用自单体低压到组高压的逆变器适合充电均衡