锂离子动力电池均衡技术探讨 - 副本

锂离子动力电池成组及均衡技术之探讨方英民新能源汽车——路在何方目前，伴随着国际国内新能源汽车技术创新及试点工程的步伐越趋加快，新能源汽车产业化的呼声也越来越高，面临转型阶段。但令人费解的是越想快越快不起来，产业化之路好像总是雾里看花。问题的结症究竟何在，到目前为止令业界仍十分困惑。究其原因多数专家学者都认为是电池的标准化问题和电池自身问题，由此迫使电池厂不断的自查问题，不断的提高电芯的工艺水平以符合电池出厂前保持批量一致性的特性要求。可即便如此仍不能保证电池在出厂后（或成组应用后）的电池循环寿命短的问题。据今年九月国家电池检测中心王子冬主任在杭州举办的电池沙龙介绍说，从国内多家送检的成组电池检测报告中得出，电芯的单体检测循环寿命即便做到千次以上，但只要电池一“成组”，检测结果循环寿命大多都会锐减为单体时的一半或更低，这已成不争的事实，难以满足新能源汽车的使用要求。这也就有了新能源汽车究竟路在何方的多方发问？动力锂离子电池是电动汽车的核心零部件电池管理系统则是电动汽车的关键零部件众所周知，新能源汽车的关键构成主要是三大部分：1、电动汽车车体及动力总成；2、动力锂离子电池；3、电池管理系统。由此可以看出动力锂离子电池是电动汽车的核心零部件，而电池管理系统则是电动汽车的关键零部件。在争论新能源汽车能否顺利实现产业化的过程中，众多专家学者普遍认为，在“三电”中，电动汽车用锂离子动力电池成组应用是新能源汽车发展的最大障碍。事实的确如此，国内外大批电化学专家在动力电池材料、内在质量、电化学特性、尤其是安全性方面投入了大量的精力和财力。客观的说：近年来我国锂离子动力电池性能在内在质量和产品工艺等方面，都有了长足进步，这是不可争议的事实；同样客观的说：虽然我国的电池性能与国外有一定差距，但是绝没有人们想象得那么差，我国电池行业已经初步具备了在新能源汽车特别是在混合动力汽车上的应用基础；结论：影响我国发展新能源汽车产业化的技术难点是电池成组技术及必须与之配套的关键零部件——电池管理系统。电动车用动力锂电池推广的瓶颈——电池成组技术电动车用锂离子动力电池，在电动车领域以及所有需要电池成组使用的领域推广的关键是动力锂电池的成组应用。其主要原因是由于动力电池在成组应用时，因电池组中单体电池的不一致特性，从而导致电池组中某一单体电池由于过充或过放等原因率先失效，形成多米诺效应，致使电池组综合性能下降和电池组被超限使用，严重影响了电池组的安全和使用寿命。电池厂承诺的千次以上的电池循环寿命，一般也仅限于单体电池，并不适合于成组电池——这个令国内外电化学界十分伤脑筋的命题。至少到目前为止电化学界仍没找到十分有效的解决办法。电池成组技术——管理系统是关键由于动力锂电池成组使用最关键、也是最核心的问题：一是安全、二是寿命。前面说过影响电池安全使用和循环寿命的因素，除了电池自身工艺性和产品质量外，至关重要的一个问题就是：电池成组管理技术。没有完善的电池成组管理技术电池的安全性和循环寿命就无法保证。因此，电池管理系统与电池自身的质量同等重要。对电池管理系统认识不足会导致严重后果1、对电池管理系统认识的严重不足和目前业界一些电池管理系统生产企业的错误管理导向，直接或间接的影响了新能源汽车产业的快速发展已成不争的事实。2、另外国内电池管理系统发展缓慢的一个很重要的原因，是缺少电池厂和整车企业的支持，研发电池管理系统，不仅需要电池厂配合整车企业进行台架试验，而且需要他们帮助完成电池管理系统的长期随车测试。没有电池厂和整车企业的有力配合，电池管理系统无法走向成熟。4月11日，一辆众泰汽车生产的朗悦EV出租车在杭州街头营运时发生自燃。6月9日，杭州市政府官方调查认为，电动出租车自燃原因出在电池部分。7月18日，上海一辆纯电动825路公交车在途经中山公园时发生自燃，起火位置是位于汽车左下部的电容部分。据电动车的制造商称，自燃原因是车辆上的磷酸铁锂电池出现问题。电池管理系统（BMS）≠电池监测系统电池管理系统的管理原则（十字方针）限两头带中间自动均衡一、限两头：充电时，既防止过压充电（过高压保护）又防止低压充电（过低压保护）；放电时防止过放电（过低压保护）二、带中间：充电时当有电池的电压达到了最高电压时，采用自动调节电压和电流的方法，继续充电。三、自动均衡：充电时，利用电池充电特性和自动调节充电参数的方法，使电池自动达到均衡从锂离子电池的工作原理说起1、锂离子电池的充放电过程是锂离子在极板上的嵌入和脱嵌过程。2、充电时，锂离子从正极板脱嵌，通过电解液嵌入到负极板上。3、放电时，锂离子从负极板上脱嵌，并经由电解液嵌入到正极板上锂离子电池的电化学表达式1、正极反应2、负极反应其中，M为Co，Ni，Fe等xexLiMOLiLiMOx212充电放电nxCLixexLinC充电放电锂离子电池充/放电特性对动力电池安全性的影响1、充电时，随着锂离子的脱嵌，正极材料体积会发生一定量的收缩；放电时，随着锂离子的嵌入，正极材料体积会发生一定量的膨胀；2、过充时，正极晶格会产生崩塌，锂离子在负极会形成锂枝晶从而刺破隔膜，造成电池的损坏；3、过放时，正极材料活性变差，阻止锂离子的嵌入，电池容量急剧下降。如果发生正极材料体积过度膨胀，也会破坏电池的物理结构，造成电池的损坏。影响电池寿命的主要因素1、电极活性物质面积减小2、电极活性物质脱落或转移3、电极材料腐蚀4、内部短路5、隔膜损坏6、活性物质晶型改变7、电池成组管理技术路线不正确电池均衡技术是新话题也是老话题2003年作者在《电池工业》第六期杂志上登载论文《动力电池组特性分析与均衡管理》，成为国内第一篇有关电池均衡技术在专业电池杂志上发表的论述。并率先领导研发团队分别在黑龙江省和深圳两家动力电池厂家，以及大连一家新兴电动车厂家，采用有源点对点双向均衡方式进行电池管理系统的相关实验，实践证明，均衡确有效果，但随之带来的后果也是严重的，成组电池几乎多数损坏。均衡电流越大损坏越加剧。后来深圳电池厂家请来芬兰一家做电池管理系统的科技大学也因采用放电均衡等错误方法实验结果是将试验车整车电池大部损毁，最后以失败退出试验告终。何谓电池均衡技术电池均衡技术源于电池成组后，组内电池由于电池材料及工艺等因素，电池内阻很难做到一致等原因使得各单体电池的容量、电压、以及SOC等参数难以保证一致，从而导致电池组在整个充放电过程中的全程不一致性而采用的一种特殊方法。其目的就是通过人为干预（有源或无源电子线路）的方法使电池组内的所有电池综合性能趋于一致。电池均衡的目的和功能要求1、充分发挥电池组的性能，延长电动汽车的续航里程2、保证电池在使用过程中的安全（即不过充、过放）3、不影响电池的寿命（在均衡过程中，不能增加额外的锂离子嵌入和脱嵌过程）对均衡系统认识上的误解（一）误解1：修复性能劣化的电池组论点：均衡系统不能对性能下降的电池进行修复，只能减缓电池组的劣化速度误解2：用均衡系统替代电池的分选系统论点：电池的一致性是成组的最基本要求，均衡系统只能在符合成组要求的电池组上工作。电池之间过大的互差会加速整组电池的损坏过程。绝不可用均衡系统盲目取代分选系统。误解3：成组中的单体电池由于采用电池多只并联不需要均衡论点：电池并联：1、电池欧姆电阻由于几何形状不同而导致电池一致性存在差异；2、由于其极化内阻的动态不一致性导致极化电压的不断变化；3、内部环流可造成电池之间不断互充，造成电池组劣化速度加快且会导致电池发热。对均衡系统认识上的误解（二）误解4：均衡系统可把原本不一致电池组变一致有均衡文章说：“为了给设备提供足够的电压，锂电池包通常由多个电池串联而成，但是如果电池之间的容量失配便会影响整个电池包的容量。为此，我们需要对失配的电池进行均衡。”论点：电池管理系统不可以用电子线路把本来一致性就不好的电池变成均衡电池；误解5：全充全放是电池管理系统的目标论点：从电池寿命曲线可以看出，电池组充电时把每只电池都充分充满，放电时把每只电池都充分放光，是以牺牲电池寿命为代价的，应以额定使用为最佳；对均衡系统认识上的误解（三）误解6：高压分流是以达到成组电池中单体电池电压一致的一种均衡方法论点：充电时把电池组内高电压的电池进行放电分流会带来以下问题：1、电池电压为U=E+IR内，因电池内组不参与均衡，仅依靠端路电压难以保证电池一致；2、高压分流需功率放电，分流功率大会导致电池发热；3、分流功率越大均衡成本越高；误解7：组内单体电池用点对点单充补电方式就可以达到电池的均衡论点：单充补电目的是想通过对组内不一致的单体电池采取吃小灶的办法实现均衡，会带来以下问题：1、因其仍以端路电压一致为评判标准难以做到真正的一致；2、点对点充电导致充电机制作成本加大；3、点对点充电导致充电线增多，既增加系统复杂性，又增加了系统故障点。常见的均衡技术一、目前常见的均衡技术主要分为两类：1、电阻分流型均衡技术2、能量转移型均衡型技术（动态均衡）二、按照均衡时段可以分为：1、充电均衡2、放电均衡3、静止状态均衡4、动态均衡当前的均衡系统基本上是以上几种方法的组合。电阻分流型均衡技术1、充电均衡。对高压电池分流，使低压电池尽量充满。2、放电均衡。对高压电池放电，使整组电压尽量一致。3、静态均衡。对高压电池放电。优点：原理简单，实现容易。问题：1.电阻放电，浪费能量；2.由于放电电阻不可能选得太小，充电结束时，根据电池特性往往小容量电池的电压是最高的，在静态均衡时，放掉的恰恰是小容量电池的电量，反而加大了电池间的互差。能量转移型均衡技术（动态均衡）1、利用能量转移装置将高能量电池的电量补充到低能量电池中。问题：1、技术复杂，成本高，实现困难。2、对电池造成的伤害大，严重影响电池的寿命。原因：在均衡过程中，不断地对电池进行充放电，造成极板活性材料过早老化（这是影响电池寿命的重要因素）。其状况与电池的并联使用相似。内均衡技术介绍1、内均衡技术是在对串联电池组充电的过程中，通过调节充电电流和控制充电电压，使得电池组中各单体电池荷电量基本一致的一种充电均衡技术。2、优点：1).电池组不需要外接均衡装置;2).均衡效果明显;3).对电池无伤害，不影响寿命。内均衡技术原理（一）电池在充电过程中，其端电压可表示为：U=E+IRi其中，E为电池的电动势，I为充电电流，Ri是电池的内阻。电池的内阻Ri又可以表示为：Ri=RΩ+RfRΩ是电池的欧姆电阻，Rf是电池的极化电阻。RΩ较稳定，在充电过程中基本不发生变化。而Rf变化较大，在充电接近尾声时，由于反应面减小，极化电阻会变大。内均衡技术原理（二）1、当电池端电压达到恒压点时，由于内阻的存在，电池的电动势并没有达到终止点，此时如果降低充电电流，电池的端电压就会下降，即可以继续充电。2、串联充电均衡过程：当电池组中有一只电池的电压达到恒压点时，适当减小充电电流，继续充电。重复以上过程，直至充电电流小于0.1C，充电结束。内均衡技术原理（三）1、假设电池组中有两只电池容量相同，由于自放电率等参数不同造成长期搁置后荷电量不同。2、充电时，荷电量高的电池首先达到恒压点，减小电流后继续充电。根据锂离子电池的特性，当电池接近充满时，充电效率会下降。而此时低荷电量的电池还保持着较高的充电效率。到充电结束时，它们之间的差距就会减小一些，经过几个循环之后，其荷电量会趋于一致。内均衡技术原理（四）SOC0100tΔsΔeteU1U2内均衡技术原理（五）假设两只电池的荷电量相同，但容量不同，根据上面相同的原理，经过多个充放循环后，两只电池充电结束时的荷电量都能接近100%。证明：设电池U1的容量C1大于电池U2的容量C2，充电时电池U2首先达到恒压点，则电池U1的总体充电效率G1大于电池U2的效率G2(设二者初始容量都为0或同一起始点)。第一次充电结束时，电池U1的荷电量为S1=(G1/G2)C2。假设电池组放电到电池U2为0，然后充电。第二次充电结束时，电池U1的荷电量为S2=S1-C2+(G1/G2)C2。则有S2-S1=[(G1/G2)-1]C2,由于G1G2,所以S2-