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董事长方英民先生受邀在锂电世界杂志发表文章《试论PACK维护与BMS均衡策略》

时间:2018-11-14 来源:威星动力浏览:355

试论PACK维护与BMS均衡策略

方英民

        中国电源工业协会                          常务副理事长

      哈尔滨威星动力电源科技开发有限公司           董   事   长

一、议题背景

    关于新能源汽车,这个近来人们热议的话题大量见诸媒体报端,但有关电动车是否也需要“维保”的话题似乎并不多见。

    随着“后补贴”时代的步步逼近,我国新能源汽车行业必将进入一个“重新洗牌”的阶段,新的游戏规则又会重新确立,新的行业格局的建立也会越加清晰起来。补贴政策固然催生了一大批以“趋利”为目的投资热,以及一些“聪明人”导演出的一幕幕以“骗补”为目的的“闹剧”。但这些风向标都会随着车补“退坡”的潮汐渐渐退去。“后补贴”时代如何把新能源汽车行业继续做大做实,这是摆在我们面前的一个不可回避的新议题。

    世纪初国家推出新能源汽车的“三纵三横”的发展策略,其中三横中的“电池及电池管理系统”逐渐走入了人们的眼帘,新能源汽车行业随着近十年的催生,人们已经熟知了电动汽车大多是靠动力电池作为能源驱动的,离开电池不行,尤其是以锂离子电池为代表的新一代动力电池,其作为电动汽车的核心零部件也很快被人们所知晓。应该实事求是的说,随着锂离子动力电池行业的迅猛崛起,势必会加快新能源汽车的发展步伐。

二、问题的提出

    从2015年随着国家“补贴峰值”的快速到来,迎来了新能源汽车大爆发快速增长的局面。但令人“喜忧参半”的是,三年后的今天,人们开始发现有相当多的城市电动公交尽然不到两、三年就开始出现了电池组“早衰”的征兆,并随着电池衰减程度的不断加速而出现了相当一部分电动公交的“趴窝”现象。随着时间的推移此现象越趋有不断加大之势。明明厂家承诺锂离子电池可以做到3000次以上的循环寿命,按理说保八年也应没有问题,但事实上这种电池组循环寿命只能做到几百次,据有关国家某权威检测机构说“八百次都会是一大关”。此“PACK提前折寿怪象”的出现让整车厂及购车者大呼上当又不得其解。也同时逼得电池生产厂及PACK厂不得不加大售后力量通过各种“补电池差异”,甚或“替换电池”的手段来缓解“早衰”压力。但这种“马拉松式”的解救办法似乎并不十分管用,只能解一时之痛痒,不能真正解决该“痛点”问题。

    问题究竟出在哪里?明明(锂离子动力电池在这里简称电池)电池以及电池PACK出厂时都经过严格检验和筛选,各单体电池间一致性都管控的很好,为什么一出厂在电动汽车上应用就不断出现提前“折寿”现象的确让人费解。

三、先搞清有关电池的几个基本概念

    这个问题还须从头说起,一只只电池在产线下线时我们称其为电芯,(比如特斯拉选用的NGM三元18650电芯);出厂时经严格筛选后大多厂家会将一致性近乎相同的多只电芯并联起来后打包(提升容量),我们称其为单体电池;再将这样的一个个单体电池串联成模组(提升电压)我们称其为电池模组又称PACK。前二者的关系极易混淆,而真正影响新能源汽车需要维保的关键应该是PACK。

四、问题出在PACK上

    问题其实就出在电池成组应用(PACK)上。应该承认PACK在出厂时由于经过了严格的工艺把关及筛选检验流程,其电池一致性是有保证的,厂家所谓的电池长寿命严格意义上说应该只是电芯寿命,如果电池经过严格筛选配组做并联也可以理解为单体电池的寿命。

    真正的问题洽洽就出在电池串联成组应用上,尤其是在纯电动汽车的串联成组应用上。

五、影响锂动力电池串联成组一致性的几个主客观因素

    让我们仔细分析一下PACK的应用工况,有几种主客观因素会影响到电池串联成组的一致性:

    1.电池的容量差异;

    2.电池的端路电压差异;

    3.电池内阻差异(主要是极化内阻);

    4.电池自放电率差异;

    5.电池组环境温度变化(大倍率充放电引起的电池自身温度变化;以及季节更替引发的环境温度变化;PACK所处的位置受车内其它产热部件引发的温度变化);

    6.过充电及过放电引发的电压差异(电池组超拐点应用出现的马尾效应)更为突出。

    通过以上分析我们可以看到,以上多种主客观因素都会在不同程度上逐渐拉大电池组差异,应该说锂动力电池串联成组差异是PACK在电动汽车应用的客观特征。

    是否有更好的办法来解决这种由于电池组本身特性带来的电池差异是目前业界亟待攻克的难题之一。

用BMS能解决问题吗?

六、BMS主要解决电池安全问题

    锂离子电池由于其“既怕过充电又怕过放电”的特性,业界目前都在采用电池管理系统(BMS),即通过控制电池的过充电及过放电过程来确保电池的安全指标,BMS主要是解决电池安全问题。同时人们又为其追加了电池剩余电量(SOC)和电池健康指数(SOH)及电池组绝缘监测等附加功能。

七、BMS真的能解决电池一致性问题吗?

    既然电池成组一致性的问题一直是困扰业界的难题之一。人们首先想到了BMS,希望通过BMS来负责解决“电池成组一致性”的瓶颈问题。

    近十年来业界试图通过BMS来解决电池组一致性问题的方法可谓是“百花齐放”,但目前在行业占主导地位的主要有两种流派。其基本特征都是想通过对BMS“嫁接”来解决电池组一致性问题。一种是“被动均衡”模式,另一种是“主动均衡模式”。

八、被动均衡和主动均衡能解决电池组一致性问题吗?

   “简单说凡是使用电阻耗散能量的均衡都称为被动均衡,凡是通过能量转移的均衡都称为主动均衡。被动均衡先于主动均衡出现,因为电路简单,成本低廉至今仍被广泛使用。其原理是依照电池的电量和电压呈正比相关,根据单串电池电压数据,将高电压的电池能量通过电阻放电以与低电压电池的电量保持相等状态,也有以最高电压为判据,比如三元锂电最高4.2V,凡是超过4.2V就开始放电均衡。”

    下面介绍一下两种均衡模式的特点:

    被动均衡模式

    1.“被动均衡”模式最早起源于2008年北京绿色奥运期间,由清华大学某知名教授提出并逐渐在业界流传开来。由于被动均衡模式启动较早,均衡电流只有几十毫安,只能说是微调,所以对BMS来讲改动不大,由于均衡电流小所以电压采集芯片很容易兼容此功能,被国外的一些芯片公司所青睐,所以目前的BMS采集芯片多有此均衡功能,当年的主要代表厂家由于曾在2008年北京奥运期间试用,并很快在行业内逐渐流传开来。

    2.“被动均衡”模式的工作原理主要是将PACK内部所有单体电池进行比较,找出组内电池端路电压高于端路电压最低的电池,并在电池组串联充电期间进行“动态”放电均衡。其方法主要是将通过BMS判断组内电池端路电压高于端路电压最低的电池后,对所有高于组内最低端路电压的电池进行微小电流放电,以最低端路电压的电池为比对条件,只要判断高于低电压电池就进行放电均衡,直到组内电池都达到电压一致为止。

    被动均衡模式需要商榷的问题:

    1.因被动均衡模式采用的工作方法是整组PACK在串联充电时的动态均衡为主,BMS是在PACK动态状态下进行判断的,由于动态判断时电池电压是在非稳定状态下不断发生变化,其电压标准会随机不断跟随发生变化,不能称其为标准电压,即无固定参考标准可依;

    2.均衡电流太小(几十毫安),均衡时间过长;

    3.采用放电均衡会增加电池无谓损耗,即电量损失和安全隐患。

    主动均衡模式

    另一种均衡模式为“主动均衡”,起源于2010年后,应该是在被“被动均衡”的基础上改进发展起来的。其主要意图是以下几点:

   1.改被动均衡为主动均衡,改放电均衡为充放电均衡结合。均衡电流可以做的较大,一般为1-5A,相对提高均衡效率;

   2.通过开关电源做双向充放电转换式均衡,理论上均衡效率较高,其均衡电流也相对可以做的较大;

   3.与BMS做为一体可实现车载均衡。

    主动均衡模式需要商榷的问题:

    1.主动均衡看似因明显加大了均衡电流比被动均衡明显提高了均衡效率,但毕竟是通过开关电源均衡仍会存在功率损耗问题。更可怕的是在均衡达到平衡点时,由于稳定状态难以保证,电池间的均衡角色转换频繁发生,该功率损耗的持续发生难免会影响到电池的容量损失;

    2.主动均衡因为其中一个重要的想法是加大均衡效率,基本做法仍是以动态均衡为主,与被动均衡同样是没有固定参考标准可依的,这样就很难保证达到预想的均衡效果;

    3.主动均衡是装在BMS随车应用的,考虑到减小成本及体积重量,大多采用N选1的工作方式,即选择式均衡模式。一个PACK里如出现多只电池差异也要一只只排队均衡,均衡效率大打折扣,这样就会造成组内电池不断进行近乎“折腾式”的均衡,对新能源汽车来讲存在较大的安全隐患。

    4.主动均衡主要是由功率器件构成,因其与BMS做在一起,功率越大发热越大,技术处理不当会对PACK存在一定的安全隐患。

    通过以上分析,无论是被动均衡还是主动均衡都存在不同的技术缺陷,很难在短时间内克服,也就造成了近年来电动公交的大面积“趴窝”现象。

九、锂动力电池组维护仪是解决一致性难题的钥匙吗?

    针对新能源汽车的是否需要“维保”的问题,以及是否需要技术方面的新突破势在必行,新能源汽车行业已引起高度重视。

    经过多年来在BMS领域的刻苦专研和实践,哈尔滨威星动力团队开发出了具有全新设计理念的“拜伦思牌锂动力电池组维护仪”系列产品。主要宗旨是力图解决新能源汽车反映出来的PACK“早衰”现象。其主要设计思想是通过定期或不定期的对电池组进行维护,使电池组的一致性差异尽量减小,力求维持在电池组出厂时的电芯水平。其主要设计思想是通过对电池成组(PACK)采集并判断电池组单体电池数据,采用“先串充,后补齐”的方式,对电池组进行合乎“标准”的维护保养。目的是将组内所有电池都维护到近乎电池出厂时的水平,使其始终保持在最佳的工作状态,用以解决电池组一致性差异。

    实践证明通过维护后的电池组循环使用寿命要明显优于其他未经维护的电池组。从根本上解决了新能源汽车使用寿命“早衰”的痛点问题。

    经过近年来的大量实践,该研发团队一举攻克了“锂动力电池成组一致性差异”的技术难题,摸索出了一整套解决PACK“早衰”现象的解决方案。经过两年多在国内一些知名电池厂及PACK厂试用反响不错。拜伦思牌便携式锂电池组维护仪系列产品主要应用于城市电动公交、电动乘用车、电动物流车等用锂动力电池提供电力的车辆。

   “专业的养护让电池组更健康”成为该研发团队的创新宗旨。

十、产品使用数据

    以下数据为我公司拜伦斯牌便携式电池组维护仪在针对山东某公交线路的公交大巴的一组维护数据,此车在维护前续航里程已经缩短到70%以下,经过维护后此车的续航里程已经恢复到90%以上的续航里程。

                    维护前SOC100%时的电池电压

                     维护后SOC100%时的电池电压

十一、现场应用

    拜伦思牌便携式锂电池组维护仪可以适用于多种场合,现场操作简单,维护效率高。

十二、新能源汽车也需养护倡导推广

    锂电池组维护仪对PACK进行维护的方法,主要是通过:

     1.对整组PACK采用“静态离线式先串充后补齐”维护手段;

    2.借助BMS判断PACK内部电池电压互差的趋势做为维护仪的判断条件;

    3.通过BMS定期或不定期检查组内电池电压互查的大小来判断PACK是否需要维护?

    这种维护方法操作简便易学,维护效果明显,经过近两年多的用户实践,一致感觉比以往的传统“单点补电”的方式既科学又先进,维护效率及维护效果明显提升,深受用户的好评。纷纷要求厂家大力推广。

      锂电池组维护仪的问世既解决了以往通过BMS的前述均衡策略的弊端,又真正解决了PACK“早衰”及新能源汽车“趴窝”的难题。不能不说是对新能源汽车行业的健康发展做出的一大贡献,值得在行业内广泛推广。