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浅析AGV锂电池主动和被动电池平衡

​锂电池的相关知识

锂电池”,是一类由锂金属或锂合金为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。1912年锂金属电池最早由Gilbert N. Lewis提出并研究。20世纪70年代时,M. S. Whittingham提出并开始研究锂离子电池。由于锂金属的化学特性非常活泼,使得锂金属的加工、保存、使用,对环境要求非常高。随着科学技术的发展,现在锂电池已经成为了主流。

动力锂电池分类

​类型
优点
缺点
锰锂价格便宜;低温性能好,在零下负20度放电能有90%以上的效率;安全性能佳。价格便宜;低温性能好,在零下负20度放电能有90%以上的效率;安全性能佳。
三元锂价格最贵的;容量高;循环寿命佳;倍率放电佳。安全性能是三个中最差。
铁锂价格中 ;容量中;循环寿命高 ;高温性能好 ;倍率放电好。价格不便宜;低温性能不好。

锂电池平衡原理

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AGV行业中获得应用。AGV锂离子电池组的容量大、串并联节数多,需要电池管理系统对其进行有效控制与管理。

我们从锂电池平衡的工作过程,通过举例子让大家能初步的理解锂电池主动/被动工作原理。

电池组-由多单元电池通过串联或并联电池阵组成。串联电池单元能够获取较高的电池组电压,而并联电池单元能够获取较高的总电池容量(单位为安培小时额定值或Ahrs)。电池组的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,AGV倾向于使用多个串联锂离子电池和多个并联电池)。这取决于AGV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。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。

如上图中的两个电池,假想为相同的充电容器,那么AGV工作时将从电池消耗能量,这将耗尽这些容器。AGV的充电时是将电荷注入电池,从而填充那些容器。但是并非所有电池单元都彼此相同,它们也会不均匀;因此,较弱的电池将以不同的速率充放电。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。

为了能够让大家更加生动理解,让我们从一个完整的电池讲起。在电池中的所有能量(可用能量)可为AGV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),当首个电池单元达到欠电压阈值(通常取决于BMS保护的安全裕度)时,BMS必须停止放电。为了不对锂离子电池过度充电,当首个电池达到充电过电压阈值时,BMS必须停止充电。然而,滞后的电池尚未完全充电,这样在电池组中会产生不足/不理想的驱动的电量,因为当首个电池单元充满时,BMS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AGV提供动力。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单元中。

进行多次的充放电循环之后,可用能量开始接近零。如何避免这个问题呢?平衡!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。通过BMS厂商对策是对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。

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,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。

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锂电池的被动/主动平衡不应该由AGV厂商来设计的,但是AGV厂商需要了解无论是主动均衡,还是被动均衡,整体的均衡效率都是考量电池的技术评价指标,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。

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