此问题得不到真正的解决将会极大的“拖住”新能源汽车产业化的前进步伐。
四、BMS是解决电池成组应用的关键
问题究竟出在哪呢?经过电化学专家学者及电池生产厂家大量的理论分析与实践,业界普遍认可的说法是“电池的串并联成组应用一致性的好坏”是问题的关键,其应用结果的好坏会直接导致电池成组应用寿命的下降。此结果的产生是由于电池本身的电化学特性使然,此现象应该是电池成组的必然特性不可避免。有解决此类“电池电化学成组一致性特性变差”问题的办法吗?
电池管理系统:一种系采用电子线路的办法来解决此类问题,业界习惯称为BMS的专为管理锂动力电池串并联成组应用的配套产品诞生了。
BMS既可以通过控制充电机和电机控制器的管理手段,来防止锂动力电池的“过充电”和“过放电”,解决人们担心的电池安全问题,我们简单的称其为“限两头”;又可以通过利用电池电化学“拐点”特性的合理管理策略来解决所谓的电池“长寿命”问题,可谓是一举两得。
经过几年来北京奥运会和上海世博会BMS在电动车上的示范运行,其作用目前已被业界广泛认可,更多的BMS参与电动车示范运行成功的典型案例也不胜枚举。
但有关BMS的技术论争从没停止过。由于锂动力电池种类品种繁多,国内各主流电池厂又各自为战,导致国内难以形成统一的技术标准,(在此值得一提的是小型卷绕式圆柱电池,国内外的外形尺寸技术标准是统一的)。BMS由此很难形成针对不同电池的技术标准。大量的重复性工作浪费在定制开发上,使得锂动力电池与BMS之间由于技术不够成熟配套争议较大,相关技术标准难以出台并试行。这不能不说是一件憾事。
与此同时,锂动力电池仍处于产业化发展初期,限于各种工艺路线不够完善、锂动力电池生产设备自动化程度不够高等原因,许多中小型电池厂的产品品质还停留在相对原始的初级阶段,动力电池出厂时的初始一致性就很难保证。更不要说为电动汽车配套应用后的电池一致性了。针对BMS的功能扩展,就不得不增加了有关专门为解决电池一致性问题而涌现出的各种平衡手段。
五、几种解决方案的比较
许多有关BMS解决锂动力电池“一致性”方案的初衷还是好的。单纯从功能性解决问题的效果也是各有千秋,比如说有关解决锂动力电池差异性的各种平衡方法,随着锂动力电池的产业化呼声不断高涨而迅速涌现。但这些方法是否真的能解决上述问题还有待商榷。为此,我们针对目前几种主流的解决方案做以分析。
1.被动均衡法 (能耗分流法):在传统能耗型BMS系统中,均衡方式主要以被动均衡为主,采用单体电池并联分流能耗电阻的方式,且只能在充电过程中做均衡工作,多余的能量杯消耗到能耗电阻上,效率为零。同时,均衡电流很小,通常小于100mA,对大容量电池的作用可以忽略不计,SOC估算精度也很低。
被动均衡法工作原理:就是把整组电池系统中,串联成组的单体电池电压差异性,通过BMS进行电压采集,以事先预设的充电电压的“上限阈值电压”为基准,任何一只单体电池只要在充电时最先达到“上限阈值电压”并检测出与相邻组内电池差异时,即对组内单体电压最高的那只电池,通过并联在单体电池的能耗电阻进行放电电流,以此类推,一直到电压最低的那只单体电池到达“上限阈值电压”为一个平衡周期。其目的就是通过放电均衡的办法让电池组内的电池电压趋于一致。
特点:1)原理简单,实现容易;2)均衡电流小时,器件成本相对较低。
问题:1)电阻能耗放电,浪费能量,产生热量;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。
2.主动均衡法(动态均衡法):主动均衡法是针对电池在使用过程中产生的容量个体差异及自放电率产生的电压差异进行主动均衡的一种方法。其主要功能是无论电池组在充电、放电还是放置过程中,都可在电池组内部对于电池单体之间的差异性进行主动均衡,以消除电池成组后由于自身和使用过程中产生的各种不一致性。但由于均衡过程当中的能量转移会因均衡电源自身的功效特性而产生热损耗,以及电池的电化学特性中极化内阻的变化,并不能用简单的能量均衡方式而真正解决问题。
主动均衡法工作原理: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。其实质是运用电池组内电池能量可单/双向转移的手段,让电池组内电池电压(容量)高的那只单体电池,或是组内总回路电池,或是另设一只单独用于平衡用的独立电池,通过电磁感应法,或单、双向DC/DC的方法,将其富裕能量向组内其他电池电压(容量)较低的电池,按排序法补充电能给组内容量较低的那只电池,此方法可以在电池充电、放电或电池静置时进行。以期达到改善电池成组差异性的目的。
特点:1)采用DC/DC双向有源均衡电路均衡效率高;2)充电、放电和静态过程中都做均衡;3)平衡电流大,均衡速度较快。
问题:1)技术复杂,成本高,实现困难。
2)因须频繁切换均衡电路,对电池造成的伤害大,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)。