电池均衡知多少 - 1
在电池包的制造过程中，电芯通常是容量匹配的。随着时间的推移，电芯之间的电荷状态可能会出现不均衡，从而降低电池包的总容量。如下图中绘制的电池组。一个电芯的SOC为0%，另一个电芯的SOC为100%。因为电流通过电池组或从负载电路将导致这两个电芯的SOC在同一方向上移动，我们需要以某种方式增加电池组的主要电力通路，增加辅助通路，允许一定程度的单个电芯控制，使这些电芯恢复均衡。电池不均衡的原因下图展示了电池组反复放电和充电的示例场景的SOC与时间的示意图。这种情况始于两个电芯在顶层设计SOC上的均衡。然而，当电池组被放电，直到两个SOC中较小的达到较低的设计限制时，我们看到两个电芯的SOC已经开始分化。当电池组随后被充电时，这种分歧不会被纠正，随着时间的推移，差距会增长。每当达到较低的SOC设计限制时，在本例中，红色虚线所描绘的电芯没有更多的电荷可提供给负载电路，但蓝色实线所描绘的电芯仍然持有电荷。因此，我们将第一个电芯称为“弱”，将第二个电芯称为“强”，因为弱电芯限制了电池组的性能。由于强电芯实际上不能在不使弱电芯过放电的情况下将其电荷传递给负载，因此电池组中存储的能量是不可用的。随着时间的推移，这种不均衡将会增长，弱电芯将最终使整个电池包性能下降，除非电芯得到均衡。不均衡是由任何可以使一个电芯的SOC与另一个电芯的SOC分离的因素引起的。为了了解这些原因可能是什么，我们考虑SOC关系：不均衡的一个原因是电芯具有不同的库仑效率。电芯可能以相同的初始SOC z0开始，具有相同的总容量Q，并接收相同的净电流i。然而，如果它们具有不同的库仑效率ηi，那么它们的SOC在给电池组充电时将会发散。下图说明了这一点。强电芯具有较高的库仑效率，因此大部分的充电电流都转化为电芯荷电状态的变化。弱电芯具有低库仑效率，因此一小部分电荷电流转换为电芯SOC的变化。在放电过程中，假设所有电芯的库仑效率都是完美的，因此充电过程中产生的发散不会被中和。因此，在每个充电周期中，库仑效率的差异将导致发散增加，而发散在放电周期中不会得到纠正。随着时间的推移，电池组可以达到如图5.1所示的极端状态。另一个不均衡的原因是电芯之间的净电流不同。也就是说，我们需要仔细考虑电芯i的净电流的组成部分：其中iapp是电池组负载电流，iself-discharge是电芯i的自放电速率，ileakage是电芯i的漏电流，为附加的BMS电子电路供电。虽然iapp对所有电芯都是相同的，但单个电芯的自放电率和漏电流可能不同，从而导致不同的inet。这在下图中得到了说明。强电芯具有低自放电和/或低漏电流。弱电芯具有较高的自放电和/或漏电流。当两个电芯在平衡状态下开始放电时，弱电芯经历的较大净放电电流导致其SOC比强电芯下降得更快。当电池组随后充电时，强电芯将比弱电芯充电得更快，因为它的净电流不会因自放电和泄漏而减少，因此不均衡将继续增长。随着时间的推移，电芯会完全分化。温度不是失衡的直接原因；但是，电池组的温度梯度可能是导致不均衡的一个因素。电芯参数值与温度有关，因此具有不同内部温度的电芯的自放电率，电子性能和库仑效率将有所不同。这会造成不均衡。另外，高温会加速老化，因此长期的温度梯度会导致电池组中不同电芯的老化速率不同，从而导致电芯间自放电率和库仑效率的不同，从而加速不均衡。在整个电池组中保持均匀的温度将有助于延长电池组的寿命，但总的来说，均衡仍然是需要的。总之，导致不均衡的是电池组中电芯之间的库仑效率、自放电率或漏电流的差异。如果所有的电芯都一样强壮或一样虚弱，当电池组运作时，就不会有不均衡的增长。（未完待续）小明来电⚡为你充电，我们下期再见，拜拜~素材来源：《Battery management systems, Volume 2, Equivalent-circuit methods 》来源：小明来电
