磷酸锂铁电池组均衡充电研究现状

  单体锂电池之间的容量差异是导致单体电池出现过度充电、过度放电的最根本原因,解决方法之一是对磷酸锂铁电池组进行均衡充电。目前,对均衡充电的研究主要侧重于两部分:一部分是对均衡充电电路拓扑的设计,另一部分是对均衡控制策略的研究。而目前的研究是侧重于对均衡充电电路拓扑的设计,主要有电阻放电均衡法、开关电容法、开关电感法、双向DC-DC变流器法、多绕组变压器法、集散式均衡法[B2.3]等。与此同时,各大半导体公司也推出了均衡控制集成芯片以及配套解决方案,如Atmel公司推出了ATA6870、ATA6871锂电池并联电阻分流放电均衡方案,TI公司于2010年推出了BQ78PL1114、BQ76PL102开关电感法均衡方案等。

  磷酸锂铁电池组均衡充电方法的优缺点,主要存在以下问题:

1)均衡时间是一个共同且严重的问题,多数达数小时之久;

2)现有的均衡技术大多数基于电池外电压均衡,由于单体电池容量差异性的存在使得各单体电池充放电电压外特性的不一致,尤其在单体电池充电后期单体电池电压上升较快,使得利用电池外电压作为电池组一致性的判据存在均衡判据不稳定的问题。同时,研究表明该方法对均衡前后电池组可用容量的增加效果并不明显;

3)实用性差,电路设计时不能兼顾电动汽车的使用工况,不能随电池组串联电池节数的增加而进行模块化扩展等。

  综上所述,目前对动力电池组均衡充电的研究尚存在诸多问题,对均衡时间的缩短、电池组一致性评价的判据、以及对均衡充电控制策略的研究还需进一步的深入和提高。

  动力锂电池组保护研究现状

  锂离子电池的安全性归根结底取决于锂离子电池材料的热稳定性,单体电池的不一致性使得动力锂电池并、串联成组使用时,其热稳定性问题尤为突出。由于锂电池材料特性决定了其对过热更为敏感,使得对锂电池使用的保护电路研究尤为重要。

  针对动力锂电池组使用的保护问题,目前在电池产品设计和应用控制方面采取了一些措施。根据对电池耐过充性能的分析,发现电池正极材料耐过充性能越强相应电池耐过充性能就会越强,因此,为了提高锂电池的耐过充性能,一方面,在电池产品设计过程中使用PTC[B8]、Vent/CID等安全装置、采用耐过充的正极材料B9.40]、采用热封闭隔离膜、采用具有PTC效应的电极、采用电压敏感隔离膜

  或者添加过充添加剂。令一方面,为了防止锂离子电池过度充放电,保证电池的使用安全性,在实际应用中,单只电池及电池组均加载保护电路,并使用专用充电管理系统。各大半导体公司也纷纷推出了锂离子电池保护集成管理芯片,如TI公司的bq77910、凹凸科技的OZ890等。该方法直接、有效,但并非万无一失。尤其是对于高压电动汽车使用场合,例如比亚迪公司即将推出的名为“秦”的第二代双模电动车,电压等级已高达500V,电池数目多大几百只,而任一节单体电池的管理失控都有可能带来严重的安全问题。

  另外,单体电池管理电路的能耗问题也逐渐成为电池保护需要考虑的问题。针对单体电池管理电路存在的能耗问题,在单体电池管理电路中对单体电池电压、温度等参数检测上进行了低功耗设计。然而,当电池组带载过重输出大电流,或是电池放置太久漏电使电池电压很低(低于2.65V)时,此时并联在电池两端的单体电池管理电路仍将消耗电池电能,尤其是对于长期搁置不使用的电动汽车而言,此时并联在电池两端的单体电池管理电路将对电池组过度放电,直至将内部的单体电池放电至损坏状态。目前国内外单体电池管理电路在单体电池过度放电时的自动掉电设计研究甚少,大多数电池管理方案是在电池组处于欠压时,通过继电器自动掉电。然而该方案存在的缺点是可靠性不高、能耗大。为此,需设计一种自动切除掉电电路,该电路可做到当检测到单体电池处于欠压时,将单体电池管理电路从单体电池两端切除。

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