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专家支招:用有源平衡技术来大幅提升电动汽车电池寿命

2016-12-30 [责任编辑:sherry]
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5分
 【导读】无论每年销售多少辆汽车,汽车中的电子系统都会继续增加。对混合动力型和全电动型汽车的需求进一步推进了汽车电子市场的增长。随着将电池作为电源这种方式日益流行,对于最大限度延长电池可用寿命,也出现了同样的需求。那有好的技术来大幅度提升电动汽车电池寿命不?
 
汽车市场是凌力尔特公司重点关注的终端市场。上一财年,我们在汽车市场的收入已经增长到占公司总收入的 20%,增长速度持续高于公司的总体增长速度。汽车行业的大部分创新和差异化都源自汽车电子系统。提高行车安全性、燃油效率和舒适度的需求创造了巨大商机。混合动力型和全电动型汽车的激增将稳步促进对创新性模拟电子产品的需求。除了汽车电子系统的增加,全球潜在汽车市场预计也将出现稳步增长。
 
无论每年销售多少辆汽车,汽车中的电子系统都会继续增加。对混合动力型和全电动型汽车的需求进一步推进了汽车电子市场的增长。随着将电池作为电源这种方式日益流行,对于最大限度延长电池可用寿命,也出现了同样的需求。电池不平衡 (即组成电池包的各节电池之间的充电状态失配) 是大型锂离子电池包的一个问题,这个问题是由制造过程、工作条件和电池老化程度的不同造成的。电池不平衡可能减小电池包的总体容量,并有可能损坏电池包。电池不平衡妨碍了从充电状态到放电状态的电池跟踪过程,而这个过程如果不能严格监控,就可能导致电池过度充电或过度放电,这将永久性地损坏电池。
 
对于混合电动型汽车和全电动型汽车电池包中使用的电池,电池制造商会针对其容量和内部阻抗进行分类,以减少交付给客户的特定批次电池之间的差别。然后,用仔细挑选过的电池构成汽车电池包,以提高电池包中电池之间的总体匹配度。理论上,这样做应该能够防止电池包中出现很严重的电池不平衡,但是尽管如此,一个普遍的共识是,组成大型电池包时,要在电池包寿命期内保持很大的电池容量,电池监控和电池平衡都需要。凌力尔特新的电池管理系统 (BMS) 产品系列正是为了满足这种需求而设计的,这些产品系列广受欢迎,是目前在产及投入使用的小汽车和客车中采用的,也是为数不多的 BMS 品牌之一。
 
目前,大型、高压可充电电池系统是电动型汽车中常见的动力源。这类大型电池组由串联 / 并联电池阵列组成,能够存储大量能量(数10千瓦时)。锂聚合物或 LiFePO4 电池是常见选择,因为这类电池能量密度高,有很强的峰值功率能力。与单节电池应用一样,必须仔细控制这类电池组中各节电池的充电,并严格监控各节电池,以确保安全运行,防止电池过早老化或损坏。不过,与单节电池系统不同的是,串联连接的电池组产生了一个额外的要求:电池平衡。
 
当电池组中的所有电池都有同样的电荷状态(SoC)时,这些电池是“平衡的”。SoC 指的是,随着各节电池的充电和放电,其当前剩余容量与其最大容量之比。例如,一个10 A-hr电池,当前剩余容量是 5A-hr,那么其 SoC 就是50%。所有电池都必须保持在同一个SoC范围之内,以避免损坏或缩短寿命。如应用不同,所允许的SoC最小值和最大值也不同。在最重视电池运行时间的应用中,所有电池都可能在20% SoC最小值和100% (满充电状态)最大值之间运行。要求电池寿命最长的应用也许限制SoC范围为最小30% 至最大70%。这些数值是电动型汽车的典型 SoC 限制,这类汽车采用非常大、非常昂贵的电池,更换成本极高。BMS 的主要作用就是,仔细监视电池组中的所有电池,确保所有电池在充电和放电时,无一超出该应用的最小和最大SoC限制。
 
对于串联/并联电池阵列,假定并联连接的电池相互之间会自动平衡,一般而言是安全的。也就是说,随着时间变化,并联连接电池的电荷状态会自动平衡,只要电池端子之间的传导通路存在。假定串联连接电池的电荷状态随时间变化往往出现偏离,导致偏离的因素有多种。电池包中电池的温度变化率或阻抗不同、自放电速率不同或各节电池的加载不同,都可能导致 SoC逐渐发生变化。尽管与电池包的充电和放电电流相比,电池之间的这些不同往往显得不那么重要,但是电荷状态失配会逐渐累积而不会减弱,除非对所有电池进行周期性平衡。各节电池的 SoC会逐步变化,需要补偿,这是平衡串联连接电池的最根本理由。一般而言,对于容量严格匹配的电池组,无源或消耗性平衡方法足以应对SoC 的再平衡问题。
 
无源平衡方法简单、价格低廉。然而,无源平衡速度非常慢,在电池包内部产生不想要的热量,是通过降低所有电池的剩余容量以与电池组中SoC最低的电池匹配,从而实现电池平衡。由于另一个常见问题,即容量失配,因而无源平衡方法有效应对SoC误差的能力也不足。所有电池都随着老化而出现容量下降,而且由于与前述类似的原因,容量下降的速度往往不同。既然入出所有串联电池的电池组电流是相等的,那么电池组中容量最低的电池就决定了电池组的可用容量。只有有源平衡方法才能在整个电池组范围内重新分配电荷,补偿电池之间失配导致的容量下降。
 
电池之间无论是容量还是SoC失配,都会严重降低电池组的可用容量,除非电池之间是平衡的。要最大限度提高电池组容量,就要求在电池组充电和放电时,电池之间是平衡的。
 
例如,有一个由10 节电池串联组成的电池组,每节电池都是 100A-hr (标称值),从容量最小的电池到容量最大的电池,容量误差为+/-10%,对这个电池组充电和放电,直至达到预先设定的SoC限制为止。如果SoC值限制在 30% 至70%,且没有进行电池平衡,那么在一次完整的充电/放电周期之后,相对于这些电池的理论可用容量,实际可用电池组容量降低25%。在电池组充电时,无源平衡方法理论上可以平衡每节电池的SoC,但是在电池组放电时,这种方法却无法防止10 号电池先于其他电池达到 30% SoC 值。即使在电池组充电时采用了无源平衡,在电池组放电时仍然会有大量容量“丢失”(不可用)。只有采用有源平衡解决方案,在电池组放电时,从高SoC电池向低SoC电池重新分配电荷,才能实现“容量恢复”。
 
采用 “理想的”有源平衡方法,可以100%恢复由于电池失配而“丢失的”容量。在稳定状态下使用这种方法时,当电池组从其70% SoC“满”充电状态放电时,必须将1号电池(容量最大的电池) 存储的电荷有效地取出,并传送给10号电池(容量最小的电池),否则10号电池就会先于其余电池达到其 30% 最低SoC 值,这时电池组放电必须停止,以防电池组寿命进一步缩短。类似地,在充电时,电荷必须从10号电池转移出来,重新分配给1号电池,否则10号电池就会先于其他电池达到其 70% SoC 上限,充电周期就必须终止。在电池组工作寿命期内的某一点,电池老化程度的不同将不可避免地导致电池之间的容量失配。只有有源平衡解决方案才能通过按需从高 SoC 电池向低 SoC 电池重新分配电荷,以实现 “容量恢复”。要想在电池组寿命期内实现最大电池组容量,就需要用有源平衡解决方案给各节电池高效率地充电和放电,以在整个电池组内保持SoC 平衡。
 
凌力尔特的 LTC3300(参见图1) 是一款专门为满足电动型汽车高性能有源平衡需求而设计的新产品。LTC3300 是一款高效率、双向有源平衡控制 IC,是高性能BMS系统的关键组件。每款 IC 都可以同时平衡多达 6 节串联连接的锂离子或 LiFePO4 电池。
凌力尔特的 LTC3300 是一款面向电动型汽车的双向有源电池平衡器
图 1:凌力尔特的 LTC3300 是一款面向电动型汽车的双向有源电池平衡器
 
SoC平衡是通过在指定电池和多达12节或更多相邻电池之间重新分配电荷来实现。平衡决策和平衡算法必须由一个单独的、控制LTC3300的监视器件和系统处理器来处理。从指定电池向12节或更多相邻电池重新分配电荷,以给该电池放电。类似地,从12节或更多相邻电池向指定电池传送电荷,以给该电池充电。所有平衡器都可以同时以某一电荷传送方向运行,以最大限度缩短电池组平衡时间。所有平衡控制命令都通过一个可叠置的、噪声裕度很大的串行 SPI 接口提供给每个IC,而对叠置高度没有限制。
 
LTC3300 中的每个平衡器都采用非隔离式、边界模式同步反激式电源级,以实现各节电池的高效率充电和放电。6 个平衡器中每一个都需要自己的变压器。每个变压器的“主”边都跨接在被平衡的电池两端,“副”边则跨接在12节或更多相邻电池构成的电池组的两端,其中包括被平衡的电池。副边跨接的电池数量仅受到外部组件击穿电压的限制。与外部开关和变压器的调节范围相对应,电池的充电和放电电流可通过外部检测电阻器设定为高达10A以上的值。是否排序以及是否对通过主边和副边组件的 IPEAK/IZERO 电流进行检测,取决于平衡器是否启动以给某节电池充电或放电。通过同步运行和恰当地选择组件可以实现高效率。各个平衡器都是通过BMS系统处理器启动的,这些平衡器将保持启动状态,直到BMS命令要求停止平衡或者检测到故障情况为止。
 
电池包最大的难题之一是热量。高环境温度会迅速缩短电池寿命并降低其性能。不幸的是,在大电流电池系统中,平衡电流也必须很大,以延长运行时间,或实现电池包的快速充电。效率欠佳的平衡器会导致电池系统内产生不想要的热量,这个问题必须通过减少在给定时间可以运行的平衡器数量或者通过昂贵的减热方法来解决。LTC3300在充电和放电方向都能实现>90% 的效率,相对于效率为80%的解决方案而言,在平衡器功耗相等的情况下,这允许平衡电流提高一倍以上。此外,平衡器效率越高,电荷分配就越有效,这又会使容量恢复更有效、充电速度更快。
LTC3300 怎样在整个电池组内传送电荷
图 2:LTC3300 怎样在整个电池组内传送电荷
 
在整个电池组内传送电荷是通过副边交错连接实现的,如图 2 所示。以这种方式交错连接,允许电荷从 6 节电池构成的任何电池组传送到相邻电池组。请注意,相邻电池在电池组中可以是上面的电池,也可以是下面的电池。当优化平衡算法时,这种灵活性非常有用。对交错系统的常见误解是:从非常长的电池组的顶部向底部重新分配电荷效率一定非常低,因为从顶部向底部移动电荷需要大量转换。然而实际上,仅通过向或自最靠近需要平衡的电池的那些电池重新分配电荷,就可完成大多数平衡。在由10节或更多节电池组成的副边电池组中,仅通过运行1个平衡器,就允许比较薄弱的电池恢复超过 90%“丢失”的容量,否则这种电池就会限制整个电池组的运行时间。因此,凭借LTC3300 的交错拓扑,无需从电池组顶部一路将电荷移动到底部,大多数平衡工作是靠相邻电池在局部完成的。
 
除了提供出色的电气性能,LTC3300 双向有源平衡器还提供很多行车安全功能,以防止平衡时出现闪失,并保持最高可靠性。数据完整性校验 (对所有入出数据、看门狗定时器和回读数据进行CRC 校验) 防止平衡器响应意外或错误的命令。可编程伏-秒箝位确保平衡时电流检测故障不会导致出现电流失控。逐电池过压和欠压校验以及副边过压检测可在平衡时防止突然发生的电池束线故障损坏平衡电路。
 
这些特性使 LTC3300 能够在串联电池系统中提供高性能,并提供可靠的有源平衡,例如电动型汽车中常见的那类串联电池系统。随着这类系统中电池的老化或需要更换,补偿由此导致的电池容量失配以防进一步损害运行时间、充电时间或电池包寿命,这变得越来越重要了。
 
关键字:有源平衡技术 电动汽车 电池寿命 
本文链接:http://www.cntronics.com/power-art/80031969
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