如何最大化延长即使具有老化电池的汽车电池组运行时间

本文作者：

凌力尔特公司(现隶属Analog Devices 公司)

波士顿设计中心总监  Samuel Nork

电源产品部产品市场总监  Tony Armstrong

由串联、高能量密度、高峰值功率锂聚合物或锂铁磷酸 (LiFePO₄) 电池组成的大型电池组被普遍应用于全电动 (EV或者BEV)、混合燃气/电动汽车 (HEV 和插电式混合电动汽车或PHEV)、以至储能系统 (ESS) 中。据预测，电动汽车市场对大规模串联/并联电池组的需求将越来越大。2016年全球PHEV销量为77.5万台[资料来源：EVvolumes.com]，预计2017年将达到113万台。然而，虽然对高容量电池的需求日益增长，电池价格依然很高，是EV或PHEV中价格最高的组件，能行驶几百公里的电池价格基本都超过 10,000 美元。对付高成本的策略可以是通过使用低成本/翻新电池来减轻成本压力，但随之而来的问题是，这类电池会有较大的容量不匹配问题，这会减少可使用时间，或者缩短一次充电后的行驶距离。即使是成本更高、质量更好的电池也会老化，而不断的重复使用会导致电池失配。有两种方式可以提高具不匹配电池之电池组的容量，第一种方式是一开始就采用比较大的电池，这种做法非常不符合成本效益；第二种方式是主动平衡，这种新技术可以恢复电池组的电池容量，而且正日渐普及。

串联连接的所有电池需要保持平衡

平衡的电池是指一个电池组中的每节电池都具备相同的电荷状态 (SoC)。SoC 是指个别电池随着充电和放电，相对于其最大容量的剩余容量。例如：一个剩余容量为 5A-hr 的 10A-hr 电池具有 50% 的 SoC。所有电池都需要保持在某个 SoC 范围之内，以避免受损或寿命缩短。应用的不同可容许的 SoC 最小值和最大值也会不同。在最重视电池运行时间的应用中，所有电池都可以在 20% 的SoC 最小值和 100% 的最大值 (满充电状态) 之间工作。而就要求电池寿命最长的应用而言，可能将SoC范围限制在 30% 最小值和 70% 最大值之间。在电动型汽车和电网存储系统中，这些数值是典型的SoC 限制，电动型汽车和电网存储系统使用非常大和非常昂贵的电池，更换费用极高。电池管理系统 (BMS) 的主要作用是，仔细监视电池组中的所有电池，确保每一节电池的充电或放电都不超出该应用充电状态限制的最小值和最大值。

采用串联 / 并联电池阵列时，并联连接电池会相互自动平衡，这种假定一般来说是对的。也就是说，随着时间推移，只要电池接线端子之间存在传导通路，那么在并联连接的电池之间，电荷状态就会自动平衡。串联连接电池的电荷状态会随着时间变化而分化，这种假定也是对的，这么说有几个原因。由于电池组各处温度变化率的不同，或者电池之间阻抗不同、自放电速率或加载之不同，SoC 会逐步发生变化。尽管电池组的充电和放电电流往往使电池之间的这些差异显得不那么重要，但是累积起来的失配会越来越大，除非对电池进行周期性的平衡。之所以要实现串联连接电池的电荷平衡，最基本的原因就是补偿各节电池 SoC 的逐步变化。通常，在一个各节电池具有严密匹配之容量的电池组中，运用被动或耗散电荷平衡方案足以使 SoC 重新达到平衡。

如图 1a所示，无源平衡简单而且成本低廉。不过，无源平衡速度非常慢，在电池组内部产生不想要的热量，而平衡是通过降低所有电池的余留容量，以与电池组中 SoC值最低的电池相匹配。由于另一个常见的容量失配，无源平衡还缺乏有效地应对 SoC 误差的能力。随着老化，所有电池的容量都会减小，而且电池容量减小的速率往往是不同的，原因与之前所述的类似。因为流进和流出所有串联电池的电池组电流是相等的，所以电池组的可用容量由电池组中容量最小的电池决定。只有采用有源平衡方法(例如图 1b和 1c中所示的那些方法)才能向电池组各处重新分配电荷，以及补偿由于不同电池之间的失配而丢失的容量。

图 1：典型的电池平衡拓扑

电池之间的失配能大幅度地缩短运行时间

电池之间无论是容量还是 SoC 之间的失配都可能严重缩短电池组的可用容量，除非这些电池是平衡。要最大限度地提高电池组的容量，就要求在电池组充电和电池组放电时电池都是平衡。

在图 2 所示的例子中，电池组由 10 节电池串联组成，每节电池的容量均为100A-hr (标称值)，容量最小的电池与容量最大的电池之间的容量误差为 ±10%，对该电池组充电或放电，直至达到预定的 SoC 限制为止。如果 SoC 值限制在 30% 至 70% 之间，而且没有进行容量平衡，那么在一个完整的充电 / 放电周期之后，相对于这些电