主动和被动电池平衡如何工作

主动和被动电池平衡如何工作

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在电源系统设计文章“电池管理系统的主动和被动平衡”中,Stefano Zanella描述了多电池系统是如何失去平衡的。在这篇文章中,我想探讨若电池不平衡且稍微扩大对电池容量不匹配的影响时,电池将如何变得不可用。我将专注于汽车锂离子(Li-ion)电池,但一般来说这些原则适用于所有电池。

多单元电池通常构建为串联或并联电池阵列。串联电池过多将导致较高的电池组电压,而并联电池过多将导致较高的总电池容量(表示为安培小时额定值或Ahrs)。然后电池容量将指示并行电池数量,将等于并联电池数量的电池容量乘以系统运行所需的电池容量。根据电池类型,汽车倾向于使用96个串联锂离子电池和24个并联电池。例如,行驶100英里范围的电动车辆将需要20-30kWh的电池,这取决于车辆的重量、预期使用模式和车辆中的各种系统效率。系统的几个方面将决定电池组电压,包括电动机的总体尺寸和类型、电缆尺寸和隔离要求。

多单元电池通过向堆叠顶部的电池的正极端子提供电流来充电。(假设电池包括n个串联电池)。换句话说,电池单元不单独充电。若您阅读Stefano的文章,您将了解在充电结束时,每个单元格中剩余的电量是不同的;并且当您反复对电池充放电(在没有平衡的情况下)时,这种差异会增加。

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若您将图1中的两个电池联想为相同的充电容器,那么驾驶电动车辆将导致从电池提取能量,这将耗尽这些容器。电动车辆的充电将电荷注入电池,从而填充那些容器。并非所有电池都彼此相同,它们也会不均匀;因此,较弱的电池将以稍微不同的速率充放电。每个电池的电压电平将分别随着电池的充电和放电而缓慢上升和下降。

让我们从一个完整的电池讲起。包含在电池中的所有能量(可用能量)可为汽车提供动力。为了不使电池过度放电(因为过度放电会降低电池寿命并且可能影响安全性),当首个电池达到欠电压阈值(加上通常取决于保护器的安全裕度)时,必须停止放电。为了不对锂离子电池过充电,当首个电池达到过电压阈值时,必须停止充电。然而,滞后的电池尚未完全充电,在电池中会留下一些不能用于驱动的电量,因为当首个电池充满时,必须再次停止充电。

换句话说,在首次充电/放电循环之后,一些能量在电池组中滞留。它永远不能用于为汽车供电。

随着电池充放电反复进行,滞留的电量增加,从而降低可用电量。此外,可用电量的损失是滞留电量的两倍,因为滞留电量不可用,并且等效电量不能注入到另一个电池中。

进行足够的充放电循环之后,可用能量开始接近零。您如何避免这个问题呢?平衡!您可通过将多余电量耗散到电阻上来实现电池平衡,从而重新获得将电池充满电并达到完全充电的能力。

只要所有电池具有相同容量,在每次充电循环结束时就无需完全平衡——因为电荷不平衡的影响是完全可逆的。我已观察到电池电子部件开发期间的一个案例,其中电池的无源平衡部分在经历多次充电/放电循环之后才被实现。当平衡系统准备就绪时,可用电量降幅超过25%。然而,在平衡所有电池之后,电池组通过最少的可用能量损失即可完全充满。

您应该根据应用和热学考虑选择平衡电流的量。例如,在24kWh系统(96个电池串联)中,假设电池在其寿命结束时具有小于1%的充电时间差(充电时间的差异随时间增加),则66Ah系统将需要补偿660mAh。凭借200mA的平衡电流,您可在3.3小时内平衡该系统,但是需要两倍的时间来平衡100mA电流。

 

应用

#串联电池

TI监控和保护部件

笔记本电脑/平板电脑

2-4

bq40z50-R1bq2947

电动工具和园艺工具

3-10

bq76930bq76920bq76925

Ebike

7-16

bq76930, bq76940bq76Pl455A-Q1bq78350-R1

EV/HEV/PHEV

60-96

bq76Pl455A-Q1bq76PL536A-Q1

微混合动力

4-6

bq76PL536A-Q1

轻度混合动力

12-16

bq76PL455A-Q1

eCall

1-2

bq76PL455A-Q1EMB1428QEMB1499Q

电信,UPS,ESS

10-16

bq76940bq76PL455A-Q1bq78350-R1

1:特定应用的监视和保护设备

 

若您想开始平衡电池单元,表1的监测和保护设备可完美匹配您的应用程序。若您的应用程序未包含在此表中,或者您对当前设计有疑问,请加入德州仪器在线支持社区,寻找解决方案,获得帮助,并与TI电池专家分享知识和解决难题。

 

其他信息:

 

原文链接:

http://e2e.ti.com/blogs_/b/fullycharged/archive/2016/10/05/how-active-and-passive-cell-balancing-works

  • 认识了许多TI的监控和保护芯片,后续会小试验一下。

  • 讲述了电池平衡的工作过程,通过举例子让读者能更好的理解工作的过程,在短短的一篇文章就可以让大家有一个初步的了解和认识。

  •  多单元电池越来越常用了,通过BMS能够控制和管理电池更有效率,每一个电池工作在可运行的区间范围内,避免电池的过充过放和热失控问题发生。单个电芯的容量比较低,需要很多个电芯集成成模组、一个电池系统包含多个模组。通常一个电池系统中包含上百个甚至上千个电芯。如何保持电芯工作在合适的区间内,BMS发挥着重要的作用。

     BMS功能为监视电池状态,建立电池状态、保护电池、上报数据、均衡等。

     BMS的关键技术有电池单体电压的精确测量、电池状态的建立、电池的一致性均衡、电池的故障诊断技术等。

  •  锂离子电池具有能量密度高,功率密度高、寿命长、环保等特点,已经在电动汽车中获得应用。但电动汽车锂离子电池组的容量大、串并联节数多、安全工作区域有限,需要电池管理系统对其进行有效控制与管理。

     目前电池管理系统有主动式均衡和被动式均衡两种管理模式,两种管理模式各有优缺点。

     BMS主要作用包括:估测电池的荷电状态,检测电池的使用状态,管控电池的循环寿命。在充电过程中对电池的热管理,启停锂电池的冷却系统,同时也管理单体电池之间的均衡,防止单体电池过充过放产生危险。另外监测整个电池的健康工作状态。

     对于BMS的技术,目前各大芯片厂家都推出了自己的解决方案,以及针对性的底层芯片,供厂家进行二次开发。

  • 多个电池组并联或串联就有点像木桶的短板效应,为了保证最大限度的使用好电池就必须保证每个电池都得到合理的利于,TI的电池监控和保护IC正好弥补了木桶的短板,有不然水溢出。

  • 就是把没用了的电量放掉,然后再充电。其实这也是一种浪费。不均衡对于SOC的计算带来更大的误差。

  • 平衡方案大大提升了电源的利用率,从而也降低了成本提升了效率。但对于电池数量不多的情况,为何不接出充电口对每个电池进行充电呢?这样可以最小程度保证电源的高性能。不知技术上是不是好实现。

  • 没拆过汽车电池,但是我拆过笔记本电脑的电池..没想到里面是一个一个的18650的锂电池串联再并联实现的.呵呵..一般是4个(2串后再并联).的确会有电池电量不平衡的问题.有专用的IC来处理当然是最完美的啦..呵呵..具体是怎么实现的呢?>在充电之前把余电都放光吗?看来我好好学习一下了!

  • 实验室很多师兄在做电池均衡电路的设计,用到了很多TI的芯片,TI监控和保护部件太多样的,运用场合也非常多,正是有了这些创造,我们的生活才能更加美好!

  • 从动画来看,应该是演示了被动均衡。被动均衡一般将电池多余的电量通过旁路电阻消耗掉,具有体积小易实现成本低控制简单等优点,但显然的一点就是其消耗能量,能量利用率低。现在市面上的BMS产品大多使用这种方式,但有一些厂家已经推出了主动均衡。主动均衡将能量多的单体的能量传递给能量低的单体,实现能量在电池组内部的转移。它的优点是能量利用率高,均衡时间短,其缺点是成本高,控制复杂,体积大等等。但对于体积这一点我们看到有些厂家已经把它做得跟被动式的体积基本相差无几。主动均衡是电池均衡的方向和潮流。相信TI将为BMS领域提供更多更好用的电池均衡管理芯片。

  • 文章用生活中一些常见的想象及平实的语言引导读者思考为何需要对电池进行均衡及均衡的重要性,同时介绍了针对特定应用TI芯片级的解决方案;

    无论是主动均衡,还是被动均衡,整体的均衡效率都是值得考量的技术评价指标,即均衡的时间效率与均衡的能量效率,两者的效率对于总体能量效率的贡献程度,这应该是未来BMS产品围绕用户需求设计的重要竞争力指标;

    电池的均衡技术区分为主动均衡与被动均衡。所谓被动就是高电压电池放电,主动均衡就是高电压电池将电能转给低压电池或者高电压电池转给整组。详细的均衡实现策略说起来可没那么容易,简单来讲被动就是一节或几节高电压电池放电,主动均衡就是高电压的放电,低电压的充电了;

    因而,被动均衡是一种有损均衡,主动均衡尚可以算得上无损均衡。主动均衡比较复杂,但是能量利用率高,均衡效果也更好一些。被动均衡比较简单,但是基本上能量是被损耗掉的,均衡效果需要的时间比较长。

  • 确实是这样,现在觉得很多电子产品的电池十分重要但是又感觉使用寿命不长,我想一方面是过多使用的原因,还有一方面是在系统实际中并没有很好的=进行保护,TI的这篇文章详细的讲解了监控和保护芯片与机制,我想着对后续电池的寿命提升有很大的帮助,设计师们也有参考这个文章,在设计电池的时候加入这些保护部件,也多谢ti能共享出这么多方案。

  • BMS系统设计,细节很重要啊,为了实现大容量,大功率,大电流输出,多单元电池越来越多了,管控好每个电芯,以及对个别电芯出现异常的容错处理很重要

  • 均衡技术是BMS中的一部分,随着方形电池等体积较大电池的使用,均衡技术更是不可忽略,因为这些电池不像18650那样一致性较好,在电动巴士上的方形电池一致性普遍较差,因此需要均衡技术来延长整个电池系统的使用寿命。被动均衡虽然实现简单,但是既浪费了能量,也造成了电池包温度的升高,所以简单实用的主动均衡将是以后的发展趋势而且不可忽略。

  • 新能源汽车关键是电池系统,电池系统关键是BMS。

    先说说多单元电池系统结构,由于单个单元的电池电压和容量有限,如果需要更多的能量,就需要把多的电池单元组合起来,方式有三,一是多个电池单元串联,得到更高的电压;二是多个电池单元并联,得到更大的电流;三是串并结合,“几串几并”,同时提高电池的总电压和总电量。从表1来看,TI主要针对串联式多电池单元系统提供监控和保护。

    再说说为什么需要主动或被动电池平衡,帖子视频给出了原因和工作原理。日常生活中也会遇到,比如笔记本电脑电池,电动自行车电池,平衡做得不好,使用时间越长,充电时间越来越短,放电工作时间也越来越短,除去电池原材料工艺等问题,其主要原因应该是多电池单元系统内各电池的不均衡造成的。针对串联式多单元电池组,市场上出现了高效电池动态均衡器的配件,原理应该和TI一样,关键技术是在充电时确保每个电池单元的充电电量一致,放电时确保每个电池单元的放电电量一致。不一致怎么办,就构建一个平衡回路,将多余的电量耗散到回路上,实现电池平衡。个人感觉帖子中没有把主要技术体现出来,看应用文档bq76PL536A-Q1,流程应该是先测量每个电池单元的电量,通过平衡后,再输出,提高电池效率寿命,同时提供保护功能。TI提供的方案都是主动电池平衡方案,它比被动电池平衡有更高的控制精度和更好的平衡效果。

    最后对用视频这种直观有效的描述原理的方式赞一个。