鋰電池主動(dòng)平衡的工作原理及其優(yōu)點(diǎn)

時(shí)間：2024-07-19 20:37:29

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[導(dǎo)讀]鋰電池的穩(wěn)定性和安全性需要謹(jǐn)慎對(duì)待。如果鋰離子電池單元不在受限的充電狀態(tài) (SOC) 范圍內(nèi)運(yùn)行，其容量就會(huì)降低。如果超出 SOC 限制，這些電池可能會(huì)損壞，導(dǎo)致不穩(wěn)定和不安全的行為。因此，為了確保鋰離子電池單元的安全性、壽命和容量，必須仔細(xì)限制其 SOC。

鋰電池的穩(wěn)定性和安全性需要謹(jǐn)慎對(duì)待。如果鋰離子電池單元不在受限的充電狀態(tài) (SOC) 范圍內(nèi)運(yùn)行，其容量就會(huì)降低。如果超出 SOC 限制，這些電池可能會(huì)損壞，導(dǎo)致不穩(wěn)定和不安全的行為。因此，為了確保鋰離子電池單元的安全性、壽命和容量，必須仔細(xì)限制其 SOC。

為了最大限度地提高每個(gè)電池單元的可用容量和使用壽命，必須在所有電池單元的 SOC 范圍內(nèi)運(yùn)行時(shí)盡量減少性能下降。只需將電池單元保持在受限的 SOC 范圍內(nèi)而不進(jìn)行干預(yù)即可避免性能下降，但可用容量會(huì)隨著 SOC 不匹配而逐漸減少。這是因?yàn)楫?dāng)一個(gè)電池單元達(dá)到 SOC 上限或下限時(shí)，充電或放電必須停止，即使其他電池單元還有剩余容量(圖 1)。

圖 1電池組的可用容量因 SOC 不匹配而降低。

目前，大多數(shù)電池管理系統(tǒng) (BMS) 都包含被動(dòng)平衡功能，可定期將所有串聯(lián)電池單元調(diào)整至共同的 SOC 值。被動(dòng)平衡通過根據(jù)需要在每個(gè)電池單元上連接一個(gè)電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，以耗散能量并降低電池單元的 SOC。

作為被動(dòng)平衡的替代方案，主動(dòng)平衡使用功率轉(zhuǎn)換在電池組的各個(gè)電池之間重新分配電荷。這可以實(shí)現(xiàn)更高的平衡電流、更低的發(fā)熱量、更快的平衡時(shí)間、更高的能效和更長(zhǎng)的運(yùn)行距離。

本文介紹了一些常見的主動(dòng)平衡方法并解釋了這些方法的工作原理。

電池平衡

即使最初匹配良好，電池組中的電池也會(huì)隨著時(shí)間的推移而產(chǎn)生容量變化。例如，電池組中不同物理位置的電池可能會(huì)經(jīng)歷不同的溫度或壓力，從而影響容量。此外，微小的制造差異可能會(huì)隨著時(shí)間的推移而放大，并造成容量差異。了解容量差異對(duì)于了解 SOC 不平衡的來(lái)源至關(guān)重要。

電池單元 SOC 的變化主要由電池容量和電池進(jìn)出電流決定。例如，4-Ahr 電池在 1 小時(shí)內(nèi)接受 1 A 電流時(shí)，SOC 變化為 25%，而類似的 2-Ahr 電池將經(jīng)歷 50% 的 SOC 變化。

保持 SOC 平衡需要根據(jù)每個(gè)電池的容量調(diào)整其充電/放電電流。并聯(lián)連接的電池會(huì)自動(dòng)執(zhí)行此操作，因?yàn)殡娏鲿?huì)從高 SOC 電池流向低 SOC 電池。相比之下，串聯(lián)電池之間的電流相同，如果存在容量差異，則會(huì)產(chǎn)生不平衡。這一點(diǎn)很重要，因?yàn)榇蠖鄶?shù)電池組都有串聯(lián)電池連接，即使它們也包括并聯(lián)連接。

SOC調(diào)整適用于被動(dòng)平衡和主動(dòng)平衡。

被動(dòng)平衡通過在各個(gè)電池上放置電阻負(fù)載(最常用的是使用 BJT 或 MOSFET 晶體管)來(lái)降低電池 SOC。但主動(dòng)平衡采用開關(guān)模式方法在電池組中的電池之間重新分配能量。

由于實(shí)施過程中增加了復(fù)雜性和成本，主動(dòng)平衡傳統(tǒng)上僅限于具有更高功率水平和/或大容量電池的電池系統(tǒng)，例如發(fā)電站的電池、商業(yè)儲(chǔ)能系統(tǒng) (ESS)、家用儲(chǔ)能系統(tǒng)和電池備用裝置?，F(xiàn)在有新的解決方案，成本和復(fù)雜性顯著降低，使越來(lái)越多的應(yīng)用能夠利用主動(dòng)平衡的優(yōu)勢(shì)。

被動(dòng)平衡的電流通常限制為 0.25 A，而主動(dòng)平衡可支持高達(dá) 6 A。更高的平衡電流可實(shí)現(xiàn)更快的平衡，從而支持更大容量的電池單元，例如 ESS 中使用的電池單元。此外，更高的平衡電流支持以快速周期運(yùn)行的系統(tǒng)，在這些系統(tǒng)中必須快速完成平衡。

被動(dòng)平衡只會(huì)消耗能量;而主動(dòng)平衡則會(huì)重新分配能量，從而顯著提高能源效率。被動(dòng)平衡僅在充電周期內(nèi)實(shí)用，因?yàn)榉烹娖陂g的操作會(huì)加速電池組的能量消耗。相反，主動(dòng)平衡可以在充電或放電期間實(shí)施。

放電期間主動(dòng)平衡的能力可提供更多的平衡時(shí)間，并允許電荷從強(qiáng)電池轉(zhuǎn)移到弱電池，從而延長(zhǎng)電池組的運(yùn)行時(shí)間(圖 2)?？傊?，主動(dòng)平衡對(duì)于需要更快平衡、限制熱負(fù)荷、提高能源效率和增加系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的應(yīng)用有利。

圖 2主動(dòng)平衡在充電和放電期間均衡 SOC。

主動(dòng)平衡方法

常用的主動(dòng)平衡拓?fù)浒ɑ谥苯幼儔浩鞯?、開關(guān)矩陣加變壓器的、以及雙向降壓 - 升壓平衡。

1. 基于變壓器的(雙向反激式)主動(dòng)平衡器

雙向反激式轉(zhuǎn)換器允許電荷雙向傳輸。雙向反激式轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)為邊界模式反激式轉(zhuǎn)換器。電池組中的每個(gè)電池單元都需要一個(gè)雙向反激式轉(zhuǎn)換器，包括反激式變壓器(圖 3)。

圖 3基于變壓器的雙向有源平衡器可雙向傳輸電荷，并且可以使用 24V 電源軌。

使用不同的變壓器設(shè)計(jì)時(shí)，有幾種可能的能量傳輸路徑。例如，能量可以從一個(gè)電池傳輸?shù)诫姵亟M內(nèi)的一組電池。能量可以從任何電池傳輸?shù)诫姵亟M的頂部(連接到電池組端子)，這需要大型高壓反激式變壓器。能量也可以傳輸?shù)捷o助電源軌或從輔助電源軌傳輸，例如圖 3 所示的 24 V 系統(tǒng)。

使用基于變壓器的主動(dòng)平衡方法時(shí)通常需要許多變壓器，這會(huì)導(dǎo)致高串?dāng)?shù)電池組的解決方案體積大、成本高。

1. 開關(guān)矩陣加變壓器有源平衡器

開關(guān)矩陣加變壓器方法使用開關(guān)陣列將變壓器連接到各個(gè)電池單元，從而將變壓器的數(shù)量減少到一個(gè)。在開關(guān)矩陣中，有兩種類型的開關(guān)：電池單元開關(guān)和極性開關(guān)。

電池開關(guān)是背對(duì)背 MOSFET，直接連接到電池單元。它們可以阻止沿充電和放電方向流動(dòng)的電流。相反，極性開關(guān)僅阻止沿一個(gè)方向流動(dòng)的電流，并且它們直接連接到單個(gè)雙向反激式轉(zhuǎn)換器或雙向正向轉(zhuǎn)換器的次級(jí)側(cè)(圖 4)。

圖 4基于開關(guān)矩陣的雙向 DC/DC 有源平衡器使用開關(guān)陣列。

雙向反激式轉(zhuǎn)換器或正向式轉(zhuǎn)換器的初級(jí)側(cè)連接到電池組或輔助電源軌。在這種布置中，每個(gè)電池都可以與電池組或輔助電源軌交換能量(充電或放電期間)。如上所述，開關(guān)矩陣加變壓器的主要優(yōu)勢(shì)在于只需要一個(gè)變壓器。

1. 雙向降壓-升壓主動(dòng)平衡器

降壓-升壓主動(dòng)平衡器采用更簡(jiǎn)單的方法，利用常用的降壓和升壓電池充電器技術(shù)。降壓-升壓主動(dòng)平衡不是將電荷移動(dòng)到電池組的各個(gè)位置或單獨(dú)的電源軌，而是將電荷移動(dòng)到直接相鄰的電池。這大大簡(jiǎn)化了平衡電路，并利用多個(gè)平衡器的同時(shí)操作將電荷分配到整個(gè)電池組中。

雙通道降壓-升壓平衡器通過在降壓平衡模式或升壓平衡模式下運(yùn)行，可在兩個(gè)相鄰電池之間提供雙向電荷移動(dòng)。通過在每對(duì)電池上放置一個(gè)雙通道降壓-升壓平衡器，電荷可以在整個(gè)電池組中移動(dòng)(圖 5)。