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主动平衡BMS发挥电池效能

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化解电动车里程焦虑 主动平衡BMS发挥电池效能
2011/4  Jack Marcinkowski
 
大容量汽车锂电池的设计和实作问题,一直是电动车发展的重要关卡。一直以来大部分汽车锂电池都采用被动平衡方法,但在成本压力之下,汽车厂商现在不得不改用更先进的主动平衡系统,以便能充分利用电池组内的所有储电。
 
本文是专栏的第一部分,文中主要探讨大容量汽车锂电池的设计和实作问题,并详细介绍主动平衡方法的优点与被动平衡方法的不足之处。一直以来大部分汽车锂电池都采用被动平衡方法,但在成本压力之下,汽车厂商现在不得不改用更先进的主动平衡系统,以便能充分利用电池组内的所有储电。

专栏的第二部分主要评估主动式的平衡方法,以检视这种方法能否为锂电池提供既安全、可靠又可延长其寿命的终极解决方案。  

锂电池左右电动车前景 

油电混合及全电动的汽车深受市场欢迎,其成长率更大幅飙升,显示汽车电动化的发展即将进入另一个崭新的阶段。电池是决定电动汽车成败与否的关键因素。新一代的锂电池技术提升了电池的储电量及功率密度,且降低电池的生产成本。早期推出的电动汽车备受里程焦虑的困扰,这也是潜在消费者最大的顾虑,因此电池技术必须有进一步的改进。  

对於电动汽车来说,电池组是车内最昂贵但稳定性又最被受质疑的组件。高效能的电池管理系统(BMS)可为油电混合及全电动汽车提供理想的解决方案,以解决电池组电量不足的问题。正如雪佛兰伏特(Chevy Volt)的设计团队表示,该公司的工程师在研发的过程中发现只要采用电池管理系统便可大幅延长电池寿命,并确保电池能充分发挥其效能。也就是说电池管理系统是解决电池问题的关键。  

被动平衡解决方案仍有诸多桎梏 

设计电池管理系统的工程师须要面对众多问题,首先要面对的是大量串联一起的小电池充电问题,此外,则是如何确保电池组内每一颗小电池都不会过量充电的问题。锂电池对於过压情况极为敏感,过压会降低电池效能,甚至会使电池严重受损而无法再用。不同的电池各有不同的效能参数,因此效能也各不相同,此外,每次重新充电前,不同的电池也各有不同的残余电荷,因此部分电池会较快充满电,以致这些电池会因为出现过压而严重受损。  

为确保电池组内的所有小电池都能充满电,其中一种解决方案是将电流分流至旁路电阻。这个称为被动平衡的方法可将不需要的充电电流分流至电阻,让电阻耗散这些电流,以免电池过量充电。这个功率耗散功能可将电池分流出来的电流限定在某一范围内。  

若某一颗效能最弱的小电池已耗尽其储电,整个电池组必须停止放电。但这样会浪费大量储电,因为电池组内一些效能较强的小电池无法用尽其剩余的储电,这是行驶里程无法准确预测的主要原因,也是里程焦虑的症结所在。电动汽车无法进一步普及,主因是消费者对这个问题仍有很大的疑虑。被动平衡方法无法在电池放电时发挥作用,因此必须寻求其他解决方案。  

即使电池组内的不同小电池之间取得高度的平衡,但它们的储电量也不尽相同,此现象称为储电量失衡。即使不同小电池的储电量在开始时完全相同,但由於部分小电池的内部损耗较大,因此到后来它们的实际储电量也会各不相同。此外,同一厂商生产的小电池都各有不同的效能参数,因此厂商通常会严格挑选参数差距最少的小电池放在同一电池组内。但整个测试过程须花费较多时间,且要筛选出不合格的小电池,如此一来就会增加厂商的成本负担。随著电池老化,其储电量也会相对递减,进一步扩大不同小电池的参数差距,再加上电池组内不同的小电池因为有不同的温度梯度而使得老化程度也各不相同。热能管理技术可在电池平衡方面发挥关键作用,但同时也会大幅增加成本。  

实际储电量较低且呈现效能弱的小电池备受最大的放电压力,因此耗电也最快、充电量也比其他效能强的电池少。经过一段时间的使用之后,这类效能弱的小电池会较快老化,储电量的跌幅也较大。这些小电池的寿命会更短,使得整个电池组的寿命也会因此而缩短。  

主动平衡解决方案为趋势 

主动平衡方法可以解决锂电池面对的这些问题。主动平衡系统无须先将电池电流分流,然后再将电流耗散,其优点在於可以透过直流-直流转换器(DC-DC Converter)将电荷传送至电池组内的小电池。无论小电池处於充电、放电还是闲置状态都可传送电荷,而各小电池之间也可经常保持平衡。由於主动平衡方法的电荷传送效率极高,因此可以提供较高的平衡电流,使电池组内各颗小电池可更快达到平衡,且充电速度也更高,这是被动平衡方法所无法做到的。  

闲置的电池也会漏电,且即使不同的小电池之间已达到完全平衡的状态,由於温度梯度不同,使各颗小电池的内部漏电速度也各不相同,以致电荷漏失率也不尽相同。电池温度每升高10℃,漏电率便上升一倍。主动平衡功能可以确保闲置的小电池不断重新寻求平衡,不同小电池间必须经常保持平衡才可充分利用电池组内的所有储电。  

图1所示为主动平衡方法比被动平衡方法具有优势之处,因为采用被动平衡方法的电池有各自不同的储电量。若采用被动平衡方法,电池组的总储电量相等於充电时的最高和最低储电量之间的差额。整个电池组可以不断放电,直至某一小电池的储电量已降至其最低水平为止,但这个时候其他小电池还有未用的残余电能,因此电池组的实际储电量(充电量)会减少。  

由於主动平衡方法可以在充电时利用高效率的电源转换器传送电荷,因此储电量不同的小电池都可完全充满电,且可以将功率损耗减至最少。若采用被动平衡方法,部分电荷会被耗散掉,但主动平衡方法会将这些电荷传送到储电量较大的小电池。放电时情况也大致相同,由於大容量电池的电能可以重新分配到容量较小的电池之内,因此所有小电池都可充分放电,电池组内不会留下残余的电能。比起被动平衡功能,具备主动平衡功能的电池组拥有较大的实际储电量。  

主动平衡系统的效能取决於平衡电流与电池充电和放电率之间的比率。电池的不平衡率越高且充电或放电率越大,所需的平衡电流就越高。主动式电池管理系统可以在充电或放电时为小电池之间的储电量失衡提供补偿(假设采用的平衡电流恒定不变),图2所示为此失衡的补偿数值。  

加速电动车普及 主动式电池管理大行其道 

一般的电池组内含有数以十计甚至数以千计的小电池。电池组进行充电时,要确保其中的每一颗小电池不会过量充电,电池处於充电、闲置及放电状态时,要确保小电池间经常保持平衡,且还要解决小电池间电荷和储电量失衡的情况。这些功能都要透过先进的主动式电池管理系统才可实现。  

由於不同小电池之间的效能参数各不相同,且老化程度也大相迳庭,因此电池组的总储电量必须特别加大,以便有较大的空间抵销电池失衡所产生的不利影响,这样会增加电池的总成本,但采用主动式电池管理系统有助於抵销成本上升的压力。当部分旧电池改换成新电池之后,电池组便会失衡,这时主动式电池管理系统便能发挥重要的平衡作用,让电池厂商可以采用参数容量较大的电池,以便提高生产线的成品率,且亦可降低保固和维修的成本。主动式电池管理系统不但可以提高电池的效能、可靠性和安全性,且还可降低系统成本。主动式电池管理系统是促进油电混合汽车和电动汽车产业飞跃发展的关键技术。  

(本文作者任职於美国国家半导体)