标签: 单体均衡

    经过了三年的储备和学习，我总算对电池管理有了一些相对深入的看法和思考，在这里也把我的一些考量和笔记整理出来。 谈到电池均衡，一般都谈起能够延长电池寿命的好处，这当然是正确的，不过还是需要把这个问题往实际的地方去探索和完善。 1.为什么需要电池均衡？    简单而言，一个串联的电池包，不管你怎么去筛选，总是会出现不均衡的现象 。这样在实际使用过程中，每个串联的输出容量是不一样的。 图《Cell Balancing Techniques using the example of Li-ion battery system for the opel Ampera》    而电池，不仅有过放电和过充电的限制，而且在不同温度和不同SOC下，输入和输出的功率也存在限制。也就是说，单个电池的限制，就会影响到整个电池。 注意：这里不等于单个超限，就等于整个不安全，而是那个电池会受到损害，进行出现持久性的问题。 图 摘自《VOLTEC Battery System for Electric Vehicle with Extended Range》   当然，最重要的是，串联在一起的电池包也遵循着马太效应，由于其负荷是一致的，越弱（自放电大、容量低、越热）的那个电池永远承受着越大的压力（Stress），那么在一个电池包内，那个电池也就老化的越快。 2.影响电池均衡的因素有哪些？   产生不均衡的因素，在论文1《Cell Balancing Algorithm Verification through a Simulation Model for Lithium Ion Energy Storage Systems》中提到的参数框图： 图 汉化自 论文1 这里的十三个影响因素被分为了五组： 1.电池包内各个单体电池之间的个体差异性（从出厂那天就具有的） 1.1 单体容量差异 1.2 单体内阻差异 1.3 单体自放电差异      以上这三个因素，主要是由于单体在制造过程中的差异导致的。越好的制造商，能够制造出差异较小很均匀的电池，但是这几个参数还是存在一定的分布特性。 图 摘自论文1 1.4 工作时候电流差异：如上图所示的分布。      一般测量电路（V，T）OV/UV电路的供电，都需要直接从电池组上取电；一般可以从6～12节上取，在取电的过程之中，这个工作电流就存在了一定的差异，导致了不同部分之间，存在一定的差异了。 图 摘自Renesas《Who's in Charge -Solutions for HEV/EV Battery Cell Management》 1.5 休眠时候电流差异      这个时候的电路差异，主要是集中在单体的输入端和均衡通路里面，如下图所示。 图 摘自某Appilcation Note 最坏的情况下，是自放电大的电池泄漏电流大，如图所示： 图5 摘自论文1 2.电池包内随着时间变化（电池包的老化） 2.1 单体容量差异 2.2 单体内阻差异 2.3 单体自放电差异    这几个差异，在整包的下降中尤为明显： 此图摘自《Statistical Method Tools to Analyze Ageing Effects on Li-Ion Battery Performances》，类似的测试有很多 3.客户使用 3.1 充电时间 3.2 放电时间 图 摘自论文《VOLTEC Battery System for Electric Vehicle with Extended Range》     由于均衡的时间一般相对较长，放在什么时候做均衡是个好的问题，一般对于插入式的NEV来说，有三种状态：Park、Charging和Discharge，这个时间决定了均衡的目标时间。 4.外部环境 4.1 不同温度下的自放电 4.2 不同SOC下的自放电 5.系统相互影响 BMS的工作状况，这个因素和BMS的工作状态有关系。 3.我们可以怎么样做？    当然接下来我们需要选择均衡的方法，主要包括硬件拓扑和均衡算法两部分，在汽车行业应用中，我们还有可靠性、成本和安全等几方面的限制。     此图出自《A Review of Passive and Active Battery Balancing based on MATLAB/Simulink 》    上述的许多方面，我们可以一一介绍，不过在汽车上面用，就如同 《Cell Balancing Techniques using the example of Li-ion battery system for the opel Ampera》中分析的那样，因为本身电池就需要做界定。把钱和技术放在均衡电路算法上，而不是加强电池质量的控制，这种选择对于想要维持10 年以上的应用并保证持续稳定的性能而言，这是不可能的。      接上文所言，接下来我们考虑均衡系统和控制手段。    均衡系统的目的，是在比较良好的电池质量条件下，保证电池系统在苛刻的条件下长寿命运行。 这里引用一些输入数据，从参考文章2中导入典型的HEV和EV的情况。 HEV: 10 Ah (0.4 mA delta leakage) 100 cells in series Charged 1/2 the time while driving SOC kept at 50 % +/- 20 % 此处根据参考文章1，修正为40%~65% Balanced once a week for 10 minutes, by going to 100 % SOC PHEV（参考文献4）:    Charged daily, plugged in the wall 12 hours a day, 8 hours charge / 4 hours balancing EV（参考文献5）:    Charged daily, plugged in the wall 12 hours a day, 8 hours charge / 4 hours balancing      以上的重点，在于在一开始，就需要考量电池的容量大小以及其差异，和所需求的均衡的速度，是否能满足实际驾驶者的情况。至少根据一定的概率来说，需要确认大部分来满足。    此图介绍充电开始和结束的SOC的状况统计概率，并整理了充电之间的驾驶情况，对于我们而言，基本可以整理出一张充电、放电、闲置、放电的时间分布图标，因此我们从中也就确认，我们将均衡算法开始确定当时的电池组的模态。 充电：这个算是最为常用的一种模态选择，特别是在家结合时间信息来操作的时候。 放电：在放电的时候，做均衡是必须要考虑一种模式，否则一旦充电的时候没有办法去做完整导致较大的单体差异，那么很有可能多次情况发生，导致车辆性能下降严重。 闲置：在车辆闲置的时候，启动均衡，会带来较大的问题，因为此时需要耗费整体高压电池包能量，也会耗费一部分12V电池包的能量。 因此这里需要确定的一个是，最大的均衡时间Tallow，这个时间是需要根据统计的概率来决定的数值。同时，这个数值又会对电池包的均衡电流提出了要求。   在这个表格里面就谈到了基于几种模式的另一个维度，是基于电池电压、历史SOC还是充电结束前的电压。 这里需要注意的是，本质而言，均衡的内容是电池所放出的Ah，因此单纯的通过电压和SOC都是无意的。   假定60Ah的电池，其起始容量差异为+/-2%，也就是说会有4%*60Ah=2.4Ah的差异,那么即使是同等SOC的情况下。   容量误差 2%       Min Nom Max 差异 容量 58.8 60 61.2   SOC窗口 20   90   可用容量 41.16 42 42.84 1.68    即使是同等SOC的情况之下，也会造成较多的容量无法使用，如果考虑SOC的差异性，特别是较小的容量的电池，在同等的Ah充放下，会形成大的SOC变化，同样直接显示在了电池电压变化（非磷酸铁锂）上面。   所以这里考虑均衡算法的话，需要计入以下的原则： 1.单纯依靠电压、SOC考虑均衡会造成较小容量的电池产生问题。 2.均衡电流（速度）是一个折衷的选择，是在硬件发热条件容许下，通过在各个模式中调配开始的情况，来确定合理的均衡。 3.均衡能进行下去的条件，是电池的容量差异（初始/衰减一致性）较小。 参考 1. Modeling the Performance and Cost of Lithium-Ion Batteries for Electric-Drive Vehicles 2. White Paper - Dissipative vs. nondissipative balancing 3. SAE 2012-01-0199 Battery Electric Vehicle Driving and Charging Behavior Observed Early in The EV Project 4. Roland Matthe VOLTEC Battery System Development 5.Development of High Capacity Lithium- Ion Battery for NISSAN LEAF