專(zhuān)家支招:用有源平衡技術(shù)來(lái)大幅提升電動(dòng)汽車(chē)電池壽命
發(fā)布時(shí)間:2016-12-30 責(zé)任編輯:sherry
【導(dǎo)讀】無(wú)論每年銷(xiāo)售多少輛汽車(chē),汽車(chē)中的電子系統(tǒng)都會(huì)繼續(xù)增加。對(duì)混合動(dòng)力型和全電動(dòng)型汽車(chē)的需求進(jìn)一步推進(jìn)了汽車(chē)電子市場(chǎng)的增長(zhǎng)。隨著將電池作為電源這種方式日益流行,對(duì)于最大限度延長(zhǎng)電池可用壽命,也出現(xiàn)了同樣的需求。那有好的技術(shù)來(lái)大幅度提升電動(dòng)汽車(chē)電池壽命不?
汽車(chē)市場(chǎng)是凌力爾特公司重點(diǎn)關(guān)注的終端市場(chǎng)。上一財(cái)年,我們?cè)谄?chē)市場(chǎng)的收入已經(jīng)增長(zhǎng)到占公司總收入的 20%,增長(zhǎng)速度持續(xù)高于公司的總體增長(zhǎng)速度。汽車(chē)行業(yè)的大部分創(chuàng)新和差異化都源自汽車(chē)電子系統(tǒng)。提高行車(chē)安全性、燃油效率和舒適度的需求創(chuàng)造了巨大商機(jī)。混合動(dòng)力型和全電動(dòng)型汽車(chē)的激增將穩(wěn)步促進(jìn)對(duì)創(chuàng)新性模擬電子產(chǎn)品的需求。除了汽車(chē)電子系統(tǒng)的增加,全球潛在汽車(chē)市場(chǎng)預(yù)計(jì)也將出現(xiàn)穩(wěn)步增長(zhǎng)。
無(wú)論每年銷(xiāo)售多少輛汽車(chē),汽車(chē)中的電子系統(tǒng)都會(huì)繼續(xù)增加。對(duì)混合動(dòng)力型和全電動(dòng)型汽車(chē)的需求進(jìn)一步推進(jìn)了汽車(chē)電子市場(chǎng)的增長(zhǎng)。隨著將電池作為電源這種方式日益流行,對(duì)于最大限度延長(zhǎng)電池可用壽命,也出現(xiàn)了同樣的需求。電池不平衡 (即組成電池包的各節(jié)電池之間的充電狀態(tài)失配) 是大型鋰離子電池包的一個(gè)問(wèn)題,這個(gè)問(wèn)題是由制造過(guò)程、工作條件和電池老化程度的不同造成的。電池不平衡可能減小電池包的總體容量,并有可能損壞電池包。電池不平衡妨礙了從充電狀態(tài)到放電狀態(tài)的電池跟蹤過(guò)程,而這個(gè)過(guò)程如果不能?chē)?yán)格監(jiān)控,就可能導(dǎo)致電池過(guò)度充電或過(guò)度放電,這將永久性地?fù)p壞電池。
對(duì)于混合電動(dòng)型汽車(chē)和全電動(dòng)型汽車(chē)電池包中使用的電池,電池制造商會(huì)針對(duì)其容量和內(nèi)部阻抗進(jìn)行分類(lèi),以減少交付給客戶(hù)的特定批次電池之間的差別。然后,用仔細(xì)挑選過(guò)的電池構(gòu)成汽車(chē)電池包,以提高電池包中電池之間的總體匹配度。理論上,這樣做應(yīng)該能夠防止電池包中出現(xiàn)很?chē)?yán)重的電池不平衡,但是盡管如此,一個(gè)普遍的共識(shí)是,組成大型電池包時(shí),要在電池包壽命期內(nèi)保持很大的電池容量,電池監(jiān)控和電池平衡都需要。凌力爾特新的電池管理系統(tǒng) (BMS) 產(chǎn)品系列正是為了滿(mǎn)足這種需求而設(shè)計(jì)的,這些產(chǎn)品系列廣受歡迎,是目前在產(chǎn)及投入使用的小汽車(chē)和客車(chē)中采用的,也是為數(shù)不多的 BMS 品牌之一。
目前,大型、高壓可充電電池系統(tǒng)是電動(dòng)型汽車(chē)中常見(jiàn)的動(dòng)力源。這類(lèi)大型電池組由串聯(lián) / 并聯(lián)電池陣列組成,能夠存儲(chǔ)大量能量(數(shù)10千瓦時(shí))。鋰聚合物或 LiFePO4 電池是常見(jiàn)選擇,因?yàn)檫@類(lèi)電池能量密度高,有很強(qiáng)的峰值功率能力。與單節(jié)電池應(yīng)用一樣,必須仔細(xì)控制這類(lèi)電池組中各節(jié)電池的充電,并嚴(yán)格監(jiān)控各節(jié)電池,以確保安全運(yùn)行,防止電池過(guò)早老化或損壞。不過(guò),與單節(jié)電池系統(tǒng)不同的是,串聯(lián)連接的電池組產(chǎn)生了一個(gè)額外的要求:電池平衡。
當(dāng)電池組中的所有電池都有同樣的電荷狀態(tài)(SoC)時(shí),這些電池是“平衡的”。SoC 指的是,隨著各節(jié)電池的充電和放電,其當(dāng)前剩余容量與其最大容量之比。例如,一個(gè)10 A-hr電池,當(dāng)前剩余容量是 5A-hr,那么其 SoC 就是50%。所有電池都必須保持在同一個(gè)SoC范圍之內(nèi),以避免損壞或縮短壽命。如應(yīng)用不同,所允許的SoC最小值和最大值也不同。在最重視電池運(yùn)行時(shí)間的應(yīng)用中,所有電池都可能在20% SoC最小值和100% (滿(mǎn)充電狀態(tài))最大值之間運(yùn)行。要求電池壽命最長(zhǎng)的應(yīng)用也許限制SoC范圍為最小30% 至最大70%。這些數(shù)值是電動(dòng)型汽車(chē)的典型 SoC 限制,這類(lèi)汽車(chē)采用非常大、非常昂貴的電池,更換成本極高。BMS 的主要作用就是,仔細(xì)監(jiān)視電池組中的所有電池,確保所有電池在充電和放電時(shí),無(wú)一超出該應(yīng)用的最小和最大SoC限制。
對(duì)于串聯(lián)/并聯(lián)電池陣列,假定并聯(lián)連接的電池相互之間會(huì)自動(dòng)平衡,一般而言是安全的。也就是說(shuō),隨著時(shí)間變化,并聯(lián)連接電池的電荷狀態(tài)會(huì)自動(dòng)平衡,只要電池端子之間的傳導(dǎo)通路存在。假定串聯(lián)連接電池的電荷狀態(tài)隨時(shí)間變化往往出現(xiàn)偏離,導(dǎo)致偏離的因素有多種。電池包中電池的溫度變化率或阻抗不同、自放電速率不同或各節(jié)電池的加載不同,都可能導(dǎo)致 SoC逐漸發(fā)生變化。盡管與電池包的充電和放電電流相比,電池之間的這些不同往往顯得不那么重要,但是電荷狀態(tài)失配會(huì)逐漸累積而不會(huì)減弱,除非對(duì)所有電池進(jìn)行周期性平衡。各節(jié)電池的 SoC會(huì)逐步變化,需要補(bǔ)償,這是平衡串聯(lián)連接電池的最根本理由。一般而言,對(duì)于容量嚴(yán)格匹配的電池組,無(wú)源或消耗性平衡方法足以應(yīng)對(duì)SoC 的再平衡問(wèn)題。
無(wú)源平衡方法簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉。然而,無(wú)源平衡速度非常慢,在電池包內(nèi)部產(chǎn)生不想要的熱量,是通過(guò)降低所有電池的剩余容量以與電池組中SoC最低的電池匹配,從而實(shí)現(xiàn)電池平衡。由于另一個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題,即容量失配,因而無(wú)源平衡方法有效應(yīng)對(duì)SoC誤差的能力也不足。所有電池都隨著老化而出現(xiàn)容量下降,而且由于與前述類(lèi)似的原因,容量下降的速度往往不同。既然入出所有串聯(lián)電池的電池組電流是相等的,那么電池組中容量最低的電池就決定了電池組的可用容量。只有有源平衡方法才能在整個(gè)電池組范圍內(nèi)重新分配電荷,補(bǔ)償電池之間失配導(dǎo)致的容量下降。
電池之間無(wú)論是容量還是SoC失配,都會(huì)嚴(yán)重降低電池組的可用容量,除非電池之間是平衡的。要最大限度提高電池組容量,就要求在電池組充電和放電時(shí),電池之間是平衡的。
例如,有一個(gè)由10 節(jié)電池串聯(lián)組成的電池組,每節(jié)電池都是 100A-hr (標(biāo)稱(chēng)值),從容量最小的電池到容量最大的電池,容量誤差為+/-10%,對(duì)這個(gè)電池組充電和放電,直至達(dá)到預(yù)先設(shè)定的SoC限制為止。如果SoC值限制在 30% 至70%,且沒(méi)有進(jìn)行電池平衡,那么在一次完整的充電/放電周期之后,相對(duì)于這些電池的理論可用容量,實(shí)際可用電池組容量降低25%。在電池組充電時(shí),無(wú)源平衡方法理論上可以平衡每節(jié)電池的SoC,但是在電池組放電時(shí),這種方法卻無(wú)法防止10 號(hào)電池先于其他電池達(dá)到 30% SoC 值。即使在電池組充電時(shí)采用了無(wú)源平衡,在電池組放電時(shí)仍然會(huì)有大量容量“丟失”(不可用)。只有采用有源平衡解決方案,在電池組放電時(shí),從高SoC電池向低SoC電池重新分配電荷,才能實(shí)現(xiàn)“容量恢復(fù)”。
采用 “理想的”有源平衡方法,可以100%恢復(fù)由于電池失配而“丟失的”容量。在穩(wěn)定狀態(tài)下使用這種方法時(shí),當(dāng)電池組從其70% SoC“滿(mǎn)”充電狀態(tài)放電時(shí),必須將1號(hào)電池(容量最大的電池) 存儲(chǔ)的電荷有效地取出,并傳送給10號(hào)電池(容量最小的電池),否則10號(hào)電池就會(huì)先于其余電池達(dá)到其 30% 最低SoC 值,這時(shí)電池組放電必須停止,以防電池組壽命進(jìn)一步縮短。類(lèi)似地,在充電時(shí),電荷必須從10號(hào)電池轉(zhuǎn)移出來(lái),重新分配給1號(hào)電池,否則10號(hào)電池就會(huì)先于其他電池達(dá)到其 70% SoC 上限,充電周期就必須終止。在電池組工作壽命期內(nèi)的某一點(diǎn),電池老化程度的不同將不可避免地導(dǎo)致電池之間的容量失配。只有有源平衡解決方案才能通過(guò)按需從高 SoC 電池向低 SoC 電池重新分配電荷,以實(shí)現(xiàn) “容量恢復(fù)”。要想在電池組壽命期內(nèi)實(shí)現(xiàn)最大電池組容量,就需要用有源平衡解決方案給各節(jié)電池高效率地充電和放電,以在整個(gè)電池組內(nèi)保持SoC 平衡。
凌力爾特的 LTC3300(參見(jiàn)圖1) 是一款專(zhuān)門(mén)為滿(mǎn)足電動(dòng)型汽車(chē)高性能有源平衡需求而設(shè)計(jì)的新產(chǎn)品。LTC3300 是一款高效率、雙向有源平衡控制 IC,是高性能BMS系統(tǒng)的關(guān)鍵組件。每款 IC 都可以同時(shí)平衡多達(dá) 6 節(jié)串聯(lián)連接的鋰離子或 LiFePO4 電池。
圖 1:凌力爾特的 LTC3300 是一款面向電動(dòng)型汽車(chē)的雙向有源電池平衡器
SoC平衡是通過(guò)在指定電池和多達(dá)12節(jié)或更多相鄰電池之間重新分配電荷來(lái)實(shí)現(xiàn)。平衡決策和平衡算法必須由一個(gè)單獨(dú)的、控制LTC3300的監(jiān)視器件和系統(tǒng)處理器來(lái)處理。從指定電池向12節(jié)或更多相鄰電池重新分配電荷,以給該電池放電。類(lèi)似地,從12節(jié)或更多相鄰電池向指定電池傳送電荷,以給該電池充電。所有平衡器都可以同時(shí)以某一電荷傳送方向運(yùn)行,以最大限度縮短電池組平衡時(shí)間。所有平衡控制命令都通過(guò)一個(gè)可疊置的、噪聲裕度很大的串行 SPI 接口提供給每個(gè)IC,而對(duì)疊置高度沒(méi)有限制。
LTC3300 中的每個(gè)平衡器都采用非隔離式、邊界模式同步反激式電源級(jí),以實(shí)現(xiàn)各節(jié)電池的高效率充電和放電。6 個(gè)平衡器中每一個(gè)都需要自己的變壓器。每個(gè)變壓器的“主”邊都跨接在被平衡的電池兩端,“副”邊則跨接在12節(jié)或更多相鄰電池構(gòu)成的電池組的兩端,其中包括被平衡的電池。副邊跨接的電池?cái)?shù)量?jī)H受到外部組件擊穿電壓的限制。與外部開(kāi)關(guān)和變壓器的調(diào)節(jié)范圍相對(duì)應(yīng),電池的充電和放電電流可通過(guò)外部檢測(cè)電阻器設(shè)定為高達(dá)10A以上的值。是否排序以及是否對(duì)通過(guò)主邊和副邊組件的 IPEAK/IZERO 電流進(jìn)行檢測(cè),取決于平衡器是否啟動(dòng)以給某節(jié)電池充電或放電。通過(guò)同步運(yùn)行和恰當(dāng)?shù)剡x擇組件可以實(shí)現(xiàn)高效率。各個(gè)平衡器都是通過(guò)BMS系統(tǒng)處理器啟動(dòng)的,這些平衡器將保持啟動(dòng)狀態(tài),直到BMS命令要求停止平衡或者檢測(cè)到故障情況為止。
電池包最大的難題之一是熱量。高環(huán)境溫度會(huì)迅速縮短電池壽命并降低其性能。不幸的是,在大電流電池系統(tǒng)中,平衡電流也必須很大,以延長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間,或?qū)崿F(xiàn)電池包的快速充電。效率欠佳的平衡器會(huì)導(dǎo)致電池系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生不想要的熱量,這個(gè)問(wèn)題必須通過(guò)減少在給定時(shí)間可以運(yùn)行的平衡器數(shù)量或者通過(guò)昂貴的減熱方法來(lái)解決。LTC3300在充電和放電方向都能實(shí)現(xiàn)>90% 的效率,相對(duì)于效率為80%的解決方案而言,在平衡器功耗相等的情況下,這允許平衡電流提高一倍以上。此外,平衡器效率越高,電荷分配就越有效,這又會(huì)使容量恢復(fù)更有效、充電速度更快。
圖 2:LTC3300 怎樣在整個(gè)電池組內(nèi)傳送電荷
在整個(gè)電池組內(nèi)傳送電荷是通過(guò)副邊交錯(cuò)連接實(shí)現(xiàn)的,如圖 2 所示。以這種方式交錯(cuò)連接,允許電荷從 6 節(jié)電池構(gòu)成的任何電池組傳送到相鄰電池組。請(qǐng)注意,相鄰電池在電池組中可以是上面的電池,也可以是下面的電池。當(dāng)優(yōu)化平衡算法時(shí),這種靈活性非常有用。對(duì)交錯(cuò)系統(tǒng)的常見(jiàn)誤解是:從非常長(zhǎng)的電池組的頂部向底部重新分配電荷效率一定非常低,因?yàn)閺捻敳肯虻撞恳苿?dòng)電荷需要大量轉(zhuǎn)換。然而實(shí)際上,僅通過(guò)向或自最靠近需要平衡的電池的那些電池重新分配電荷,就可完成大多數(shù)平衡。在由10節(jié)或更多節(jié)電池組成的副邊電池組中,僅通過(guò)運(yùn)行1個(gè)平衡器,就允許比較薄弱的電池恢復(fù)超過(guò) 90%“丟失”的容量,否則這種電池就會(huì)限制整個(gè)電池組的運(yùn)行時(shí)間。因此,憑借LTC3300 的交錯(cuò)拓?fù)?,無(wú)需從電池組頂部一路將電荷移動(dòng)到底部,大多數(shù)平衡工作是靠相鄰電池在局部完成的。
除了提供出色的電氣性能,LTC3300 雙向有源平衡器還提供很多行車(chē)安全功能,以防止平衡時(shí)出現(xiàn)閃失,并保持最高可靠性。數(shù)據(jù)完整性校驗(yàn) (對(duì)所有入出數(shù)據(jù)、看門(mén)狗定時(shí)器和回讀數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC 校驗(yàn)) 防止平衡器響應(yīng)意外或錯(cuò)誤的命令。可編程伏-秒箝位確保平衡時(shí)電流檢測(cè)故障不會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)電流失控。逐電池過(guò)壓和欠壓校驗(yàn)以及副邊過(guò)壓檢測(cè)可在平衡時(shí)防止突然發(fā)生的電池束線故障損壞平衡電路。
這些特性使 LTC3300 能夠在串聯(lián)電池系統(tǒng)中提供高性能,并提供可靠的有源平衡,例如電動(dòng)型汽車(chē)中常見(jiàn)的那類(lèi)串聯(lián)電池系統(tǒng)。隨著這類(lèi)系統(tǒng)中電池的老化或需要更換,補(bǔ)償由此導(dǎo)致的電池容量失配以防進(jìn)一步損害運(yùn)行時(shí)間、充電時(shí)間或電池包壽命,這變得越來(lái)越重要了。
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