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主動平衡BMS發揮電池效能

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化解電動車里程焦慮 主動平衡BMS發揮電池效能
2011/4  Jack Marcinkowski
 
大容量汽車鋰電池的設計和實作問題,一直是電動車發展的重要關卡。一直以來大部分汽車鋰電池都採用被動平衡方法,但在成本壓力之下,汽車廠商現在不得不改用更先進的主動平衡系統,以便能充分利用電池組內的所有儲電。
 
本文是專欄的第一部分,文中主要探討大容量汽車鋰電池的設計和實作問題,並詳細介紹主動平衡方法的優點與被動平衡方法的不足之處。一直以來大部分汽車鋰電池都採用被動平衡方法,但在成本壓力之下,汽車廠商現在不得不改用更先進的主動平衡系統,以便能充分利用電池組內的所有儲電。

專欄的第二部分主要評估主動式的平衡方法,以檢視這種方法能否為鋰電池提供既安全、可靠又可延長其壽命的終極解決方案。  

鋰電池左右電動車前景 

油電混合及全電動的汽車深受市場歡迎,其成長率更大幅飆升,顯示汽車電動化的發展即將進入另一個嶄新的階段。電池是決定電動汽車成敗與否的關鍵因素。新一代的鋰電池技術提升了電池的儲電量及功率密度,且降低電池的生產成本。早期推出的電動汽車備受里程焦慮的困擾,這也是潛在消費者最大的顧慮,因此電池技術必須有進一步的改進。  

對於電動汽車來說,電池組是車內最昂貴但穩定性又最被受質疑的組件。高效能的電池管理系統(BMS)可為油電混合及全電動汽車提供理想的解決方案,以解決電池組電量不足的問題。正如雪佛蘭伏特(Chevy Volt)的設計團隊表示,該公司的工程師在研發的過程中發現只要採用電池管理系統便可大幅延長電池壽命,並確保電池能充分發揮其效能。也就是說電池管理系統是解決電池問題的關鍵。  

被動平衡解決方案仍有諸多桎梏 

設計電池管理系統的工程師須要面對眾多問題,首先要面對的是大量串聯一起的小電池充電問題,此外,則是如何確保電池組內每一顆小電池都不會過量充電的問題。鋰電池對於過壓情況極為敏感,過壓會降低電池效能,甚至會使電池嚴重受損而無法再用。不同的電池各有不同的效能參數,因此效能也各不相同,此外,每次重新充電前,不同的電池也各有不同的殘餘電荷,因此部分電池會較快充滿電,以致這些電池會因為出現過壓而嚴重受損。  

為確保電池組內的所有小電池都能充滿電,其中一種解決方案是將電流分流至旁路電阻。這個稱為被動平衡的方法可將不需要的充電電流分流至電阻,讓電阻耗散這些電流,以免電池過量充電。這個功率耗散功能可將電池分流出來的電流限定在某一範圍內。  

若某一顆效能最弱的小電池已耗盡其儲電,整個電池組必須停止放電。但這樣會浪費大量儲電,因為電池組內一些效能較強的小電池無法用盡其剩餘的儲電,這是行駛里程無法準確預測的主要原因,也是里程焦慮的癥結所在。電動汽車無法進一步普及,主因是消費者對這個問題仍有很大的疑慮。被動平衡方法無法在電池放電時發揮作用,因此必須尋求其他解決方案。  

即使電池組內的不同小電池之間取得高度的平衡,但它們的儲電量也不盡相同,此現象稱為儲電量失衡。即使不同小電池的儲電量在開始時完全相同,但由於部分小電池的內部損耗較大,因此到後來它們的實際儲電量也會各不相同。此外,同一廠商生產的小電池都各有不同的效能參數,因此廠商通常會嚴格挑選參數差距最少的小電池放在同一電池組內。但整個測試過程須花費較多時間,且要篩選出不合格的小電池,如此一來就會增加廠商的成本負擔。隨著電池老化,其儲電量也會相對遞減,進一步擴大不同小電池的參數差距,再加上電池組內不同的小電池因為有不同的溫度梯度而使得老化程度也各不相同。熱能管理技術可在電池平衡方面發揮關鍵作用,但同時也會大幅增加成本。  

實際儲電量較低且呈現效能弱的小電池備受最大的放電壓力,因此耗電也最快、充電量也比其他效能強的電池少。經過一段時間的使用之後,這類效能弱的小電池會較快老化,儲電量的跌幅也較大。這些小電池的壽命會更短,使得整個電池組的壽命也會因此而縮短。  

主動平衡解決方案為趨勢 

主動平衡方法可以解決鋰電池面對的這些問題。主動平衡系統無須先將電池電流分流,然後再將電流耗散,其優點在於可以透過直流-直流轉換器(DC-DC Converter)將電荷傳送至電池組內的小電池。無論小電池處於充電、放電還是閒置狀態都可傳送電荷,而各小電池之間也可經常保持平衡。由於主動平衡方法的電荷傳送效率極高,因此可以提供較高的平衡電流,使電池組內各顆小電池可更快達到平衡,且充電速度也更高,這是被動平衡方法所無法做到的。  

閒置的電池也會漏電,且即使不同的小電池之間已達到完全平衡的狀態,由於溫度梯度不同,使各顆小電池的內部漏電速度也各不相同,以致電荷漏失率也不盡相同。電池溫度每升高10℃,漏電率便上升一倍。主動平衡功能可以確保閒置的小電池不斷重新尋求平衡,不同小電池間必須經常保持平衡才可充分利用電池組內的所有儲電。  

圖1所示為主動平衡方法比被動平衡方法具有優勢之處,因為採用被動平衡方法的電池有各自不同的儲電量。若採用被動平衡方法,電池組的總儲電量相等於充電時的最高和最低儲電量之間的差額。整個電池組可以不斷放電,直至某一小電池的儲電量已降至其最低水平為止,但這個時候其他小電池還有未用的殘餘電能,因此電池組的實際儲電量(充電量)會減少。  

由於主動平衡方法可以在充電時利用高效率的電源轉換器傳送電荷,因此儲電量不同的小電池都可完全充滿電,且可以將功率損耗減至最少。若採用被動平衡方法,部分電荷會被耗散掉,但主動平衡方法會將這些電荷傳送到儲電量較大的小電池。放電時情況也大致相同,由於大容量電池的電能可以重新分配到容量較小的電池之內,因此所有小電池都可充分放電,電池組內不會留下殘餘的電能。比起被動平衡功能,具備主動平衡功能的電池組擁有較大的實際儲電量。  

主動平衡系統的效能取決於平衡電流與電池充電和放電率之間的比率。電池的不平衡率越高且充電或放電率越大,所需的平衡電流就越高。主動式電池管理系統可以在充電或放電時為小電池之間的儲電量失衡提供補償(假設採用的平衡電流恆定不變),圖2所示為此失衡的補償數值。  

加速電動車普及 主動式電池管理大行其道 

一般的電池組內含有數以十計甚至數以千計的小電池。電池組進行充電時,要確保其中的每一顆小電池不會過量充電,電池處於充電、閒置及放電狀態時,要確保小電池間經常保持平衡,且還要解決小電池間電荷和儲電量失衡的情況。這些功能都要透過先進的主動式電池管理系統才可實現。  

由於不同小電池之間的效能參數各不相同,且老化程度也大相逕庭,因此電池組的總儲電量必須特別加大,以便有較大的空間抵銷電池失衡所產生的不利影響,這樣會增加電池的總成本,但採用主動式電池管理系統有助於抵銷成本上升的壓力。當部分舊電池改換成新電池之後,電池組便會失衡,這時主動式電池管理系統便能發揮重要的平衡作用,讓電池廠商可以採用參數容量較大的電池,以便提高生產線的成品率,且亦可降低保固和維修的成本。主動式電池管理系統不但可以提高電池的效能、可靠性和安全性,且還可降低系統成本。主動式電池管理系統是促進油電混合汽車和電動汽車產業飛躍發展的關鍵技術。  

(本文作者任職於美國國家半導體)