什么是電池衰減？

電池的衰減一般分為兩類,一類是電池內部因化學物質的損失導致的不可逆衰減,也稱作電池老化,而當氣候溫度變化或者電池電芯不一致時導致電池性能和續航里程下降,我們稱之為可逆衰減,既然衰減“可逆”,就有辦法延緩或恢復,其中氣候溫度變化可以通過恒溫控制解決,“電芯不一致”的狀況這時候就要有BMS(電池管理系統)來為電池電芯“妙手回春”,其中很重要的“治療過程”就是“電池均衡”或稱之為電池均衡修復。

電池電芯的各種狀態?

新能源汽車的電池包通常由許多個電芯所組成考察電芯有兩個關鍵指標:一個是電芯容量,可以看做一個碗的容量,一個是電芯荷電狀態(即俗稱的剩余電量,以下簡稱SOC)可以看做碗里盛水的含量例如,50mL的碗里盛了25mL的水時此時的SOC就是50%,電池包下線出廠時所有電芯的容量和SOC基本一致,只有在這種狀態下所有電芯才能同步充滿和放空步調整齊,一致性好,一般存儲或出廠的SOC保持在10～20%左右。

電池儲存或出廠時,SOC在10%～20%左右

但隨著使用年限和充電次數的新增,電池內部不可防止的出現變化每個電芯的容量或者SOC都會出現參差不齊的現象,根據木桶原理,一個平放的木桶它能裝的水量是由最短板,決定的電池包的容量也是如此。

木桶短板效應示意

所有電芯都是同步充放電的在電芯容量或SOC不一致的情況下,只要有一個電芯充滿或放空其他電芯便不能再繼續充放電,因為假如繼續充放電會導致容量偏小的電芯出現過充過放現象,輕則導致電芯內部鋰離子變為鋰單質析出導致電芯內部結構破壞,降低電池包的壽命,重則可能引發電芯起火等危險事件,因此那顆最小容量或SOC的電芯相當于電池內部的“最短木板”,它導致了電池包內存儲的總能量減少縮短了可用的續航里程這就是電池包內部的“木桶原理”

電池充點截止(容量最小電芯充滿就自動保護)

電芯間出現差異的原因是什么?

俗話說,想治病先診斷搞清“病因”很重要電芯間的差異一般有三種:

①SOC一致,容量不一致

這種狀態就類似碗的邊緣有了缺口原本能裝50ml水,但現在只能裝40ml,否則就會從缺口漏出來此時,容量小的最先充滿和放空是整個電池包容量的瓶頸以下圖為例,充電前三節容量不同的電芯它們都處于50%,SOC即當前電量都是滿電電量的一半,所以電池裝配Pack滿足第一個條件,容量一致性,不同容量電芯不能混合使用。

電池組SOC一致,但容量不一致

在充入相同的電量后,容量最小的電芯達到滿充狀態,這時無法對電芯繼續進行充電,因為假如繼續充,滿充電芯將會過充電長期過充甚至會導致電芯起火等危險事件

容量不一致電池,充電狀態

對這些電芯進行放電時,容量最小的電芯同樣首先達到放空狀態,此時無法繼續放電因為如繼續放電,已放空的電芯將會過放電長期過放會導致電芯內部結構破壞發生危險

容量不一致電池,放電狀態

②容量一致,SOC不一致

這種狀態下類似于每個碗都是完好的,但是碗內的水量不盡相同,有的當前電量是滿電狀態的70%,有的是50%如下圖所示,容量相同的三節電芯SOC當前電量與滿電電量占比不相同,所以電池裝配Pack滿足第二個條件,SOC一致性,不同SOC電芯不能混合使用(當然也可以通過均衡設備修復SOC一致性)。

電池容量一致,SOC不同

SOC最高的電芯最先充滿,SOC最低電芯最先放空,而且此時只能停止充放電以防止過充和過放行為,發生SOC的電芯是整個電池包容量的瓶頸

電池容量一直,SOC不一致,充放電瓶頸

③容量和SOC都不一致

實際的用車場景往往更復雜,電芯的容量和SOC都可能不一致,這類似于有的碗有缺口有的碗沒有缺口,有缺口的碗的缺口大小還不一致同時,每個碗里的水量也不相同,這時無法再簡單地將電芯當前的容量或者SOC作為評判標準,這對均衡邏輯判斷及控制模塊提出了較高的要求

實際用車場景后的電池狀態,容量與SOC更復雜

電池均衡如何工作?

電芯外部能夠實時測量的變量有三個,電壓,電流與溫度將變量信息引入算法即可得到每節電芯的SOC值及此時電芯的可用容量,并以此綜合判斷電芯間的不一致狀態來決定電池包是否要進入均衡狀態,電池均衡技術重要分為兩種被動均衡與主動均衡

電池與BMS板接線示意圖

被動均衡

又稱為能量耗散式均衡,工作原理是在每節電芯上并聯一個電阻,當某個電芯已經提前充滿,而又要繼續給其它電芯充電時接上電阻,對其進行放電把多余的能量耗散掉

被動均衡電路設計

其優點是結構簡單,布局成本低硬件實現簡單等,在電動汽車上廣泛應用缺點是多余的能量直接轉化為熱量散發能量使用效率低(被動均衡電流通常在1A以下),對電路穩定性有影響因此,對被動均衡電路來說一個優秀可靠的均衡控制策略就顯得尤為重要。

主動均衡

又稱非能量耗散式均衡,其原理為將能量高的電芯內的能量轉移到能量低的電芯中去,比如說這個碗里裝不下東西時把部分東西貢獻轉移到沒有填滿的碗

主動均衡在充放電示意圖

主動均衡電路的優勢在于能量損耗較小,但是其回路成本高,拓撲結構復雜而且電容和電感的體積大會導致空間需求大等,因此如何攻破主動均衡在結構硬件上的難題是目前各BMS研發團隊的研究重點之一。

主動均衡電路設計

不論是主動均衡還是被動均衡都是如何讓每個碗都盡量的多裝水,同時也可以將碗內的水都盡量放空是電池均衡策略設計的最終目標。

被動均衡適合于小容量、低串數的鋰離子電池組應用,主動均衡適用于高串數、大容量的動力型鋰離子電池組應用。與其說哪種均衡技術更好,不如說這背后要采用的策略更為重要。