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《能量轉(zhuǎn)移---動力電池的終極均衡方法?》

本人現(xiàn)從事電動汽車(大巴)的相關(guān)工作.目前困擾電動車界的最大的問題就是電池問題,而電池問題的最大的問題,就是電池均衡問題------ 動力電池往往都是由數(shù)量龐大的電池組合而成,電池組的有效容量只取決于最差一個電池的荷電容量,電池嚴(yán)格配組、選擇一致性的電池是目前解決電池均衡性的第一個手段,但即便初始參數(shù)完全一致,在以后的使用中,都會因內(nèi)部因數(shù)(工藝、材料的質(zhì)和量)和外部因數(shù)(工作溫度、導(dǎo)線及連接電阻、成組的充放電均衡性差異等)的逐漸或者累積性產(chǎn)生電池荷電量(表現(xiàn)容量的差異),而產(chǎn)生落后電池.

解決電池均衡性的第二個方法問題,是進(jìn)行充放電管理.成組充電時最常見的方法,就是充電末期采用小電流均充.我在汕頭電動車測試中心,還見到了一個充電器列陣,先以大電流對串聯(lián)的電池進(jìn)行常規(guī)充電,當(dāng)有電池“沖線”(達(dá)到上限電壓)時停止,改用小充電機(jī)列陣對電池進(jìn)行一對一補(bǔ)充電,直到達(dá)到電壓均衡. 根據(jù)介紹,效果相當(dāng)明顯.

放電的管理,也無非是限制放電截止電壓,避免電池過放對電池的損害,并不能根本解決容量不均衡問題.

如果電池組中電池的容量出現(xiàn)比較大差異,則任你怎么均衡充電,“落后”電池總是比人先到達(dá)放電截止點(diǎn)、能放出的電量永遠(yuǎn)比其他電池“落后”.


我突發(fā)奇想,如果能將富余的電量從荷電量比較高的電池轉(zhuǎn)移到荷電量比較低的電池,也就是你把12V/120Ah和12V/60Ah串聯(lián)使用,最后也能放出(12X120+12X60)VAh的能量來.這是否是一個最終解決方案?


電池的問題實(shí)際上不單單就是單純的電池問題,電池的問題應(yīng)該是設(shè)計(jì)電池開發(fā)、生產(chǎn)、充電及放電管理的一個系統(tǒng)工程.希望大家多提意見!!



全部回復(fù)(22)
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azhu
LV.8
2
2006-07-22 08:19
好貼子,關(guān)注中!
如果加上能量轉(zhuǎn)移式的放電均衡功能,就可以解決容量不平衡的電池串聯(lián)問題.這種均衡的難度較高,但并非沒有實(shí)現(xiàn)的可能.
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2006-07-22 22:51
@azhu
好貼子,關(guān)注中!如果加上能量轉(zhuǎn)移式的放電均衡功能,就可以解決容量不平衡的電池串聯(lián)問題.這種均衡的難度較高,但并非沒有實(shí)現(xiàn)的可能.
請大家多給建議和意見~~~ ~~~~

這個想法,靈感來源于某個自動充電均衡系統(tǒng)的思路:在充電末期,使用電容和開關(guān)---(未說容量,我想應(yīng)該很大,超級電容?沖擊電流也很大,開關(guān)不好弄,不會推薦IGBT吧?)將電荷從電壓高的電池轉(zhuǎn)移到電壓低的電池而實(shí)現(xiàn)均衡充電,但其實(shí)電池在充電末期的接受能力很差,電容捎過去的大電流怕是消化不良,我想,為何不倒過來,在電池深度DOD時進(jìn)行高效電荷均衡?很餓的電池可是來多少吃多少的哦:)

目前我的方法是,電池組連接DC/DC+charger(多路/隔離)、在車輛使用過程、個別電池達(dá)到11.0V左右時,電路工作開始對電壓落后電池進(jìn)行補(bǔ)電.對電壓(或者容量)落后電池,雖然同時要對DC/DC付出,但接納的肯定比付出的多得多,其實(shí)這就是一種“能量轉(zhuǎn)移”,從而讓落后電池能“堅(jiān)持下去”…….目前實(shí)現(xiàn)的方案我還沒啥好辦法,只是對已知容量落后電池采用預(yù)置線路的方法,讓這些“比較落后”的電池不再拖后腿,最后成組電池的放電深度將趨向一致,大大提高了電池組實(shí)際續(xù)航里程,更有效地保護(hù)了落后電池.

還有沒有別的方法?或者面對電池個數(shù)龐大的電池組,如何實(shí)現(xiàn)自動補(bǔ)電均衡?成本控制?
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jimkpc
LV.5
4
2006-07-23 22:13
@e弦知音
請大家多給建議和意見~~~~~~~這個想法,靈感來源于某個自動充電均衡系統(tǒng)的思路:在充電末期,使用電容和開關(guān)---(未說容量,我想應(yīng)該很大,超級電容?沖擊電流也很大,開關(guān)不好弄,不會推薦IGBT吧?)將電荷從電壓高的電池轉(zhuǎn)移到電壓低的電池而實(shí)現(xiàn)均衡充電,但其實(shí)電池在充電末期的接受能力很差,電容捎過去的大電流怕是消化不良,我想,為何不倒過來,在電池深度DOD時進(jìn)行高效電荷均衡?很餓的電池可是來多少吃多少的哦:)目前我的方法是,電池組連接DC/DC+charger(多路/隔離)、在車輛使用過程、個別電池達(dá)到11.0V左右時,電路工作開始對電壓落后電池進(jìn)行補(bǔ)電.對電壓(或者容量)落后電池,雖然同時要對DC/DC付出,但接納的肯定比付出的多得多,其實(shí)這就是一種“能量轉(zhuǎn)移”,從而讓落后電池能“堅(jiān)持下去”…….目前實(shí)現(xiàn)的方案我還沒啥好辦法,只是對已知容量落后電池采用預(yù)置線路的方法,讓這些“比較落后”的電池不再拖后腿,最后成組電池的放電深度將趨向一致,大大提高了電池組實(shí)際續(xù)航里程,更有效地保護(hù)了落后電池.還有沒有別的方法?或者面對電池個數(shù)龐大的電池組,如何實(shí)現(xiàn)自動補(bǔ)電均衡?成本控制?
好貼,關(guān)注中.
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劍心
LV.8
5
2006-07-24 15:16
直接升壓之后向干線供電還會簡單一些
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zzmws
LV.5
6
2006-07-24 16:25
呵呵!這個問題值得考慮,請看看以下這篇文章(不知為何,我沒法傳文件)
http://www.americansolarchallenge.org/tech/resources/SAE_2001-01-0959.pdf
作為電容能量轉(zhuǎn)移,如果電容大的話,太貴了,如果電容小,就要求電
池不一致性不能太差,而且要求在充電早期甚至充電前(放電甚至是擱
置轉(zhuǎn)臺下)就開始平衡,或者就是提高開關(guān)的開關(guān)頻率.但提高開關(guān)的
開關(guān)頻率將使得在放電或者擱置狀態(tài)下電池的能量轉(zhuǎn)移毫無意義.
另外一點(diǎn)就是,任何能量轉(zhuǎn)移都不是100%效率的,所以根本沒有可能做
到120+60Ah=90Ah*2的.

歡迎拍磚
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2006-07-25 16:48
我認(rèn)為換落后電池比你的方案要省錢.
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zzmws
LV.5
8
2006-07-26 14:09
@zhgzh19750811
我認(rèn)為換落后電池比你的方案要省錢.
要看什么電池咯!
鉛酸電池的話確實(shí)便宜!
鋰離子電池呢?
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2006-07-30 21:35
@zzmws
呵呵!這個問題值得考慮,請看看以下這篇文章(不知為何,我沒法傳文件)http://www.americansolarchallenge.org/tech/resources/SAE_2001-01-0959.pdf作為電容能量轉(zhuǎn)移,如果電容大的話,太貴了,如果電容小,就要求電池不一致性不能太差,而且要求在充電早期甚至充電前(放電甚至是擱置轉(zhuǎn)臺下)就開始平衡,或者就是提高開關(guān)的開關(guān)頻率.但提高開關(guān)的開關(guān)頻率將使得在放電或者擱置狀態(tài)下電池的能量轉(zhuǎn)移毫無意義.另外一點(diǎn)就是,任何能量轉(zhuǎn)移都不是100%效率的,所以根本沒有可能做到120+60Ah=90Ah*2的.歡迎拍磚
我的靈感就是來自這里:)很久以前看過,當(dāng)時覺得是紙上談兵:電容和電力器件成本可能超出實(shí)際產(chǎn)品承受范圍,所以只留下一個印象,細(xì)節(jié)出處都忘記了:)

需說明,任何能量轉(zhuǎn)移都客觀存在轉(zhuǎn)換效率問題,所以“120Ah+60Ah==90AhX2”實(shí)際只是我對“能量轉(zhuǎn)移”方法效果的一種簡單表述,顯然這絕不是該命題要討論和欲達(dá)到的效果和目的.也許我把“等于”寫成“類似等效于”一類更好一些:)

如前所說,這里希望找出一種主動或比較徹底地解決電池荷電及容量差異導(dǎo)致的電池組容量指標(biāo)不理想的方法,電池組各種均衡充電、包括電池組分解后獨(dú)立均衡充電、更換落后電池都是現(xiàn)行的方法,但都不是理想的方法.
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zzmws
LV.5
10
2006-07-31 15:14
@e弦知音
我的靈感就是來自這里:)很久以前看過,當(dāng)時覺得是紙上談兵:電容和電力器件成本可能超出實(shí)際產(chǎn)品承受范圍,所以只留下一個印象,細(xì)節(jié)出處都忘記了:)需說明,任何能量轉(zhuǎn)移都客觀存在轉(zhuǎn)換效率問題,所以“120Ah+60Ah==90AhX2”實(shí)際只是我對“能量轉(zhuǎn)移”方法效果的一種簡單表述,顯然這絕不是該命題要討論和欲達(dá)到的效果和目的.也許我把“等于”寫成“類似等效于”一類更好一些:)如前所說,這里希望找出一種主動或比較徹底地解決電池荷電及容量差異導(dǎo)致的電池組容量指標(biāo)不理想的方法,電池組各種均衡充電、包括電池組分解后獨(dú)立均衡充電、更換落后電池都是現(xiàn)行的方法,但都不是理想的方法.
呵呵!其實(shí)這個實(shí)現(xiàn)起來比較容易!但是真正把各種方案都拿來對比,
加上測試,整個項(xiàng)目耗資較大.
加上目前許多IC廠家都比較急功近利,也比較保守.
最重要的是,由于這些東西都不是特別成熟,無法確認(rèn)市場的具體需求
量,所以目前還沒有真正這樣做集成IC的.
用單片機(jī)做起來非常簡單,就是功耗有點(diǎn)大咯!
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azhu
LV.8
11
2006-08-01 11:04
@zzmws
呵呵!其實(shí)這個實(shí)現(xiàn)起來比較容易!但是真正把各種方案都拿來對比,加上測試,整個項(xiàng)目耗資較大.加上目前許多IC廠家都比較急功近利,也比較保守.最重要的是,由于這些東西都不是特別成熟,無法確認(rèn)市場的具體需求量,所以目前還沒有真正這樣做集成IC的.用單片機(jī)做起來非常簡單,就是功耗有點(diǎn)大咯!
單片機(jī)也可以做到較低的功耗的.
可以做到小于300uA.
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zzmws
LV.5
12
2006-08-01 12:01
@azhu
單片機(jī)也可以做到較低的功耗的.可以做到小于300uA.
AZHU果然厲害!300uA!
我利用ATEMEGA16作個一個這樣的方案
1、使用單節(jié)IC做短路和過流保護(hù)
2、所有其他保護(hù)由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)
3、使用內(nèi)置8路10位ADC,測量四節(jié)電池電壓
4、使用內(nèi)置PWM來做充電絹流控制
功能實(shí)現(xiàn)完全沒有問題,就是功耗忒大,在idle模式下達(dá)到900uA以上
所以.......

后來的改進(jìn)是
1、從5V單片機(jī)改到3.3V;
2、基本工作頻率由32768降到10k左右
3、去掉脈沖充電功能
最后功耗還在600uA左右

現(xiàn)在有一個想法就是,平時單片機(jī)完全斷電,利用MOSFET電流放電來觸發(fā)開關(guān)做單片機(jī)硬啟動條件.不知道是否可行,敬請賜教!
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azhu
LV.8
13
2006-08-01 13:17
@zzmws
AZHU果然厲害!300uA!我利用ATEMEGA16作個一個這樣的方案1、使用單節(jié)IC做短路和過流保護(hù)2、所有其他保護(hù)由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)3、使用內(nèi)置8路10位ADC,測量四節(jié)電池電壓4、使用內(nèi)置PWM來做充電絹流控制功能實(shí)現(xiàn)完全沒有問題,就是功耗忒大,在idle模式下達(dá)到900uA以上所以.......后來的改進(jìn)是1、從5V單片機(jī)改到3.3V;2、基本工作頻率由32768降到10k左右3、去掉脈沖充電功能最后功耗還在600uA左右現(xiàn)在有一個想法就是,平時單片機(jī)完全斷電,利用MOSFET電流放電來觸發(fā)開關(guān)做單片機(jī)硬啟動條件.不知道是否可行,敬請賜教!
電源(從幾十V轉(zhuǎn)換為5V)自身耗電40uA,當(dāng)靜止?fàn)顟B(tài)(不充電也不放電),單片機(jī)在睡眠狀態(tài)電流小于100uA.在喚醒狀態(tài)下,工作電流為5mA,喚醒狀態(tài)下工作時間為5mS,休眠時間為1秒.其它電路耗電幾十uA.
一旦電池處于放電或充電狀態(tài)時,自動喚醒單片機(jī),此時單片機(jī)始終工作,進(jìn)行電量計(jì)量和相應(yīng)狀態(tài)指示,一旦放電終止或充電完成,單片機(jī)又進(jìn)入睡眠狀態(tài).
PIC單片機(jī)可以做到較低的功耗,也可以雙頻工作,另外,電源供電電路的低功耗很重要.
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zzmws
LV.5
14
2006-08-01 16:00
@azhu
電源(從幾十V轉(zhuǎn)換為5V)自身耗電40uA,當(dāng)靜止?fàn)顟B(tài)(不充電也不放電),單片機(jī)在睡眠狀態(tài)電流小于100uA.在喚醒狀態(tài)下,工作電流為5mA,喚醒狀態(tài)下工作時間為5mS,休眠時間為1秒.其它電路耗電幾十uA.一旦電池處于放電或充電狀態(tài)時,自動喚醒單片機(jī),此時單片機(jī)始終工作,進(jìn)行電量計(jì)量和相應(yīng)狀態(tài)指示,一旦放電終止或充電完成,單片機(jī)又進(jìn)入睡眠狀態(tài).PIC單片機(jī)可以做到較低的功耗,也可以雙頻工作,另外,電源供電電路的低功耗很重要.
謝謝指教!

可惜俺不靠這個生活,要不然可以整天找你學(xué)習(xí)的咯!

過兩年改行再說咯!:)
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e弦知音
LV.1
15
2006-08-02 15:22
@e弦知音
我的靈感就是來自這里:)很久以前看過,當(dāng)時覺得是紙上談兵:電容和電力器件成本可能超出實(shí)際產(chǎn)品承受范圍,所以只留下一個印象,細(xì)節(jié)出處都忘記了:)需說明,任何能量轉(zhuǎn)移都客觀存在轉(zhuǎn)換效率問題,所以“120Ah+60Ah==90AhX2”實(shí)際只是我對“能量轉(zhuǎn)移”方法效果的一種簡單表述,顯然這絕不是該命題要討論和欲達(dá)到的效果和目的.也許我把“等于”寫成“類似等效于”一類更好一些:)如前所說,這里希望找出一種主動或比較徹底地解決電池荷電及容量差異導(dǎo)致的電池組容量指標(biāo)不理想的方法,電池組各種均衡充電、包括電池組分解后獨(dú)立均衡充電、更換落后電池都是現(xiàn)行的方法,但都不是理想的方法.
電動汽車(而非小型便攜設(shè)備)而言能容忍一定的系統(tǒng)功耗(如果必要).電動汽車電池的最大問題是電池組大部分電池在放電后期“有電放不出”,因此,即便存在附加設(shè)備自身系統(tǒng)功耗和轉(zhuǎn)換效率的問題,把電能從賀電較富裕的電池轉(zhuǎn)移到荷電不足的電池,讓使用中的電池放電深度亦趨向平衡,以達(dá)到延長續(xù)航里程、保護(hù)電池的雙重功效,才是“能量轉(zhuǎn)移”的意義所在.
   目前我們車載電池管理系統(tǒng)(電壓、電流、溫度、終端顯示)的功耗為40W,轉(zhuǎn)向助力、打氣泵、冷卻、空調(diào)等系統(tǒng)的功耗達(dá)到百瓦級甚至千瓦級~~~~ 對總最大功率達(dá)到150Kw以上的電動汽車車而言,“必須”或者“劃算”的能耗該付出的還是要付出的,當(dāng)然,提高系統(tǒng)效率,是下一步的話題.
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lyapunov
LV.3
16
2006-08-02 16:44
@e弦知音
電動汽車(而非小型便攜設(shè)備)而言能容忍一定的系統(tǒng)功耗(如果必要).電動汽車電池的最大問題是電池組大部分電池在放電后期“有電放不出”,因此,即便存在附加設(shè)備自身系統(tǒng)功耗和轉(zhuǎn)換效率的問題,把電能從賀電較富裕的電池轉(zhuǎn)移到荷電不足的電池,讓使用中的電池放電深度亦趨向平衡,以達(dá)到延長續(xù)航里程、保護(hù)電池的雙重功效,才是“能量轉(zhuǎn)移”的意義所在.  目前我們車載電池管理系統(tǒng)(電壓、電流、溫度、終端顯示)的功耗為40W,轉(zhuǎn)向助力、打氣泵、冷卻、空調(diào)等系統(tǒng)的功耗達(dá)到百瓦級甚至千瓦級~~~~對總最大功率達(dá)到150Kw以上的電動汽車車而言,“必須”或者“劃算”的能耗該付出的還是要付出的,當(dāng)然,提高系統(tǒng)效率,是下一步的話題.
若能一定程度容忍均衡電路的功耗的話,那么實(shí)現(xiàn)你所描述的系統(tǒng)的難度應(yīng)該降低很多了
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lyapunov
LV.3
17
2006-08-02 16:46
@azhu
電源(從幾十V轉(zhuǎn)換為5V)自身耗電40uA,當(dāng)靜止?fàn)顟B(tài)(不充電也不放電),單片機(jī)在睡眠狀態(tài)電流小于100uA.在喚醒狀態(tài)下,工作電流為5mA,喚醒狀態(tài)下工作時間為5mS,休眠時間為1秒.其它電路耗電幾十uA.一旦電池處于放電或充電狀態(tài)時,自動喚醒單片機(jī),此時單片機(jī)始終工作,進(jìn)行電量計(jì)量和相應(yīng)狀態(tài)指示,一旦放電終止或充電完成,單片機(jī)又進(jìn)入睡眠狀態(tài).PIC單片機(jī)可以做到較低的功耗,也可以雙頻工作,另外,電源供電電路的低功耗很重要.
要檢測電池是否處于充電狀態(tài)還是放電狀態(tài),必須要有測流電阻,那么這個測流電壓的放大器恐怕耗電也挺大的
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azhu
LV.8
18
2006-08-02 20:33
@lyapunov
要檢測電池是否處于充電狀態(tài)還是放電狀態(tài),必須要有測流電阻,那么這個測流電壓的放大器恐怕耗電也挺大的
這個運(yùn)放的工作電流只有20uA.
如果有必要的話,我還有更低耗電流的運(yùn)放可以選擇.
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lyapunov
LV.3
19
2006-08-03 13:32
@azhu
這個運(yùn)放的工作電流只有20uA.如果有必要的話,我還有更低耗電流的運(yùn)放可以選擇.
這個運(yùn)放的價格估計(jì)應(yīng)該挺高,有沒有便宜的運(yùn)放介紹呢?
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lyapunov
LV.3
20
2006-08-03 13:35
@azhu
這個運(yùn)放的工作電流只有20uA.如果有必要的話,我還有更低耗電流的運(yùn)放可以選擇.
用運(yùn)放把小信號進(jìn)行放大,如何解決抗干擾的問題呢?尤其對于感性負(fù)載
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azhu
LV.8
21
2006-08-03 14:15
@lyapunov
這個運(yùn)放的價格估計(jì)應(yīng)該挺高,有沒有便宜的運(yùn)放介紹呢?
象LM324這樣的運(yùn)放,也要0.5元左右.
象TI公司的一些低功耗運(yùn)放,價格在2元左右.
TI公司還有靜態(tài)功耗小于5uA的運(yùn)放,如果還需要更小耗電的話,有的公司還有靜態(tài)功耗小于1uA的運(yùn)放.
如果你一個電池賣到1000美元,乃至1萬美元時,你不是會在意一個運(yùn)放是2元還是0.5元的,也不會去在意管理電路的成本是100元還是200元.我做過的電池,最貴的一個電池就賣到1萬美元.
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azhu
LV.8
22
2006-08-03 14:20
@lyapunov
用運(yùn)放把小信號進(jìn)行放大,如何解決抗干擾的問題呢?尤其對于感性負(fù)載
解決干擾,主要從三方面入手解決,一個是從源頭解決,另一個是從傳輸路徑解決,再一個是提高控制電路自身抑制干擾的能力.要對具體的應(yīng)用場合,做具體的分析,再做綜合的處理.
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jeffxu
LV.1
23
2007-06-02 15:41
@e弦知音
電動汽車(而非小型便攜設(shè)備)而言能容忍一定的系統(tǒng)功耗(如果必要).電動汽車電池的最大問題是電池組大部分電池在放電后期“有電放不出”,因此,即便存在附加設(shè)備自身系統(tǒng)功耗和轉(zhuǎn)換效率的問題,把電能從賀電較富裕的電池轉(zhuǎn)移到荷電不足的電池,讓使用中的電池放電深度亦趨向平衡,以達(dá)到延長續(xù)航里程、保護(hù)電池的雙重功效,才是“能量轉(zhuǎn)移”的意義所在.  目前我們車載電池管理系統(tǒng)(電壓、電流、溫度、終端顯示)的功耗為40W,轉(zhuǎn)向助力、打氣泵、冷卻、空調(diào)等系統(tǒng)的功耗達(dá)到百瓦級甚至千瓦級~~~~對總最大功率達(dá)到150Kw以上的電動汽車車而言,“必須”或者“劃算”的能耗該付出的還是要付出的,當(dāng)然,提高系統(tǒng)效率,是下一步的話題.
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