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發(fā)布日期:2022-10-21 點(diǎn)擊率:35
DQZHAN技術(shù)訊:鋰電池組無(wú)損均衡繼電器應(yīng)用探討
前言:以目前已有應(yīng)用的某種17串鋰電池組,標(biāo)稱(chēng)電壓60V,多用于二輪電動(dòng)車(chē)。在該電池組內(nèi)增配一只體積小巧的連續(xù)旋轉(zhuǎn)繼電器,BMS板重新編程一個(gè)繼電器電機(jī)啟動(dòng)指令,則上乘地達(dá)到了該種電池的均衡目標(biāo)。具體地,建議電池充電時(shí)始終均衡,則充電量達(dá)*大值;
電容法均衡繼電器采用連續(xù)旋轉(zhuǎn)方式工作,輔電池法均衡繼電器采用正反轉(zhuǎn)定位方式工作。
電池化時(shí)代即將到來(lái)。無(wú)論是新能源車(chē)業(yè),還是分布式儲(chǔ)能業(yè),電池的使用量已呈現(xiàn)爆炸式擴(kuò)張。由于單體電池的電壓較低,各應(yīng)用場(chǎng)合都需要將電池級(jí)聯(lián)來(lái)提升總電壓,但電池單體的性能差異性,電池組在使用過(guò)程中不可避免的出現(xiàn)各級(jí)聯(lián)電壓出現(xiàn)偏差,均衡概念隨之應(yīng)用而生。
電池組均衡屬于BMS(電池管理系統(tǒng))的管理策略之一,出于成本的考慮,雖然現(xiàn)有的均衡方案已有多類(lèi),但應(yīng)用案例中多采用*簡(jiǎn)的有損放電法,且效率不高。目前的均衡方案大多以電池組中單體電池一致性非常高為前提,考慮未來(lái)二次電池的梯次利用,有必要設(shè)計(jì)更佳更簡(jiǎn)更有效的均衡方案及策略。
縱觀當(dāng)前的均衡方案,電阻放電法方法*簡(jiǎn),缺點(diǎn)是效率低,屬于有損均衡;電感、變壓器、升降壓等方案電路復(fù)雜、成本高;一種電磁繼電器組加電容方案(見(jiàn)圖1),其優(yōu)點(diǎn)是成本低,電路簡(jiǎn)單,屬無(wú)損均衡,缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)換頻率低,電觸點(diǎn)熔粘時(shí)有短路風(fēng)險(xiǎn)。
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圖1中,假設(shè)執(zhí)行均衡指令,5個(gè)單體電池中電壓*高的電池對(duì)應(yīng)的繼電器先吸合,電容充電;斷開(kāi)繼電器,再選取電壓*低的電池對(duì)應(yīng)的繼電器吸合,電容放電,繼電器斷開(kāi),完成一個(gè)均衡循環(huán)。眾所周知,電磁繼電器不適用于頻繁切換場(chǎng)合,因此圖1的理論均衡效
率將是非常低下的。如果將電磁繼電器更改為電子開(kāi)關(guān),由于電池間電壓差較小,電子開(kāi)關(guān)本身有一定的電壓降,采用單純的電子開(kāi)關(guān)加電容策略時(shí)將幾乎沒(méi)有均衡效果發(fā)生。針對(duì)電磁繼電器切換頻率較低的特性,可行的方案是將電容更改為后備輔電池,并增加升降壓電路,
利用后備輔電池較大的電容量來(lái)對(duì)相關(guān)電池單體進(jìn)行較長(zhǎng)時(shí)間的充電或放電。后備輔電池概念的誕生,使二次電池梯次利用時(shí)的深度均衡得到可能,相關(guān)技術(shù)方案在發(fā)明磚利申請(qǐng)(2018107804736)中有詳細(xì)表述,此處不談。
回到圖1的觀察,假設(shè)J1至J5繼電器能夠工作在較高的切換頻率,且不會(huì)發(fā)生觸點(diǎn)粘結(jié)的短路故障,那么圖1電路將達(dá)到一個(gè)很好的均衡效果。將圖1電路變形,如圖2所示:
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比較圖1、圖2可知,圖1中5只繼電器組成的繼電器組在圖2中變成了只有一組動(dòng)觸點(diǎn)、五組靜觸點(diǎn)的某種元器件。假設(shè)五組靜觸點(diǎn)布設(shè)于某一個(gè)圓盤(pán)片上,一組動(dòng)觸點(diǎn)由旋轉(zhuǎn)臂驅(qū)動(dòng),動(dòng)力源為電機(jī),則圖1的均衡電路具有了切換速度快,不怕級(jí)間短路的高效率均衡方案。
由此誕生一種全新的繼電器種類(lèi),可命名為旋轉(zhuǎn)繼電器,其特別適用于電池組均衡應(yīng)用。一只旋轉(zhuǎn)繼電器可替代多只單獨(dú)的電磁繼電器,成本上也將大大降低。且旋轉(zhuǎn)繼電器只有一個(gè)電機(jī)旋轉(zhuǎn)指令,自主均衡,相較電磁繼電器組具有所需開(kāi)關(guān)點(diǎn)少、均衡期間無(wú)需頻繁采樣電池電壓等優(yōu)點(diǎn),真正達(dá)到了電路*簡(jiǎn)化、運(yùn)算*簡(jiǎn)化的均衡策略目標(biāo)。
當(dāng)電池組各單體電池一致性較好,電壓差較小時(shí),可采用繼電器加電容方案來(lái)進(jìn)行均衡策略;當(dāng)電池組一致性較差時(shí),則應(yīng)采用繼電器加后備輔電池方案(也可配置升降壓電路)來(lái)進(jìn)行均衡。電容均衡法,均衡電流小,則單一旋轉(zhuǎn)繼電器內(nèi)部可集成多達(dá)20組以上靜觸點(diǎn),且單體體積小巧。后備電池均衡法,均衡電流較大,則單一旋轉(zhuǎn)繼電器內(nèi)部靜觸點(diǎn)組數(shù)較少為宜,以汽車(chē)電源為案例,靜觸點(diǎn)組數(shù)設(shè)置為4組時(shí),可發(fā)揮有效配置。
電容法均衡繼電器采用連續(xù)旋轉(zhuǎn)方式工作,輔電池法均衡繼電器采用正反轉(zhuǎn)定位方式工作。
以特斯拉某型汽車(chē)電池為例,其單體電池總數(shù)量7104節(jié),單級(jí)74并,則級(jí)聯(lián)串?dāng)?shù)為96串,按電容法均衡方案,每繼電器可均衡204/8串電池串,則*低只需5只連續(xù)旋轉(zhuǎn)繼電器即可完成均衡工作。此處的均衡指每繼電器對(duì)應(yīng)電池串之間,按此計(jì)算,96串電池*多會(huì)有5個(gè)不同電壓值出現(xiàn)。
理論上來(lái)說(shuō),也可以設(shè)計(jì)一種觸點(diǎn)數(shù)較少,過(guò)電流能力較強(qiáng)的連續(xù)旋轉(zhuǎn)繼電器額外配置來(lái)消除所述的5個(gè)不同電壓值,但不建議這樣設(shè)計(jì)。特別的,汽車(chē)電池在某些串組出現(xiàn)隱患時(shí),對(duì)行駛**有極害處。
因此,在電容均衡法的基礎(chǔ)上,增加配置后備輔電池均衡方案,是汽車(chē)電池**使用的的一種可靠手段。仍以上述特斯拉電池為例,在96串的基礎(chǔ)上,總電池組細(xì)分為16小組(串聯(lián)),每小組6個(gè)包(串聯(lián))。
我們以16組為準(zhǔn),每四組對(duì)應(yīng)接入一只四通道正反轉(zhuǎn)定位繼電器,則需4只定位繼電器,此4只定位繼電器再級(jí)聯(lián)一只負(fù)載能力更強(qiáng)的四通道定位繼電器,然后引出一付均衡接點(diǎn)到電池箱外部,例如以一個(gè)二芯插座體現(xiàn)在電池箱表面。額外地,當(dāng)我們將一只容量較大的后備電池(含升或降壓電路)插頭插入均衡插座時(shí),16組電池中哪組電池電壓偏低,5只定位繼電器組合(4+1)選中其,后備電池電路工作時(shí),則向其供給可調(diào)節(jié)的電能量。
按此可知,大容量的后備電池,不僅起到了均衡作用,也可以起到增程作用,還能在木桶效應(yīng)觸發(fā)時(shí)由后備電池代替短板,保障汽車(chē)**行駛。
因此,上述兩類(lèi)旋轉(zhuǎn)繼電器的實(shí)際應(yīng)用,將對(duì)當(dāng)前的均衡方案起到積極有效的前瞻作用。兩類(lèi)旋轉(zhuǎn)繼電器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),共同點(diǎn)是都以盤(pán)片式靜觸點(diǎn)組加旋轉(zhuǎn)臂式動(dòng)觸點(diǎn)組相結(jié)合,不同點(diǎn)是按觸點(diǎn)容量大小來(lái)設(shè)計(jì)觸點(diǎn)面積和組數(shù),以及按均衡方式來(lái)確定是連續(xù)旋轉(zhuǎn)還是正反轉(zhuǎn)定位。以下以?xún)蓚€(gè)實(shí)例來(lái)論述。
例如以目前已有應(yīng)用的某種17串鋰電池組,標(biāo)稱(chēng)電壓60V,多用于二輪電動(dòng)車(chē)。在該電池組內(nèi)增配一只體積小巧的連續(xù)旋轉(zhuǎn)繼電器,BMS板重新編程一個(gè)繼電器電機(jī)啟動(dòng)指令,則上乘地達(dá)到了該種電池的均衡目標(biāo)。具體地,建議電池充電時(shí)始終均衡,則充電量達(dá)*大值;
電池騎行放電中,各電池串電壓差超設(shè)計(jì)值時(shí),均衡若干時(shí)間再停止,重新監(jiān)測(cè)電壓差,以決定是否再次均衡。其繼電器盤(pán)片和旋轉(zhuǎn)臂設(shè)計(jì)見(jiàn)圖3。
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在繼電器盤(pán)片正面布設(shè)四圈導(dǎo)電環(huán)道,內(nèi)兩圈為連續(xù)滑觸線(xiàn),滑觸線(xiàn)在盤(pán)片背面引出導(dǎo)線(xiàn),連接一只高容高阻低漏電的電容器;外兩圈為等分的17組滑觸點(diǎn),盤(pán)片背面,**組滑觸點(diǎn)(紅、藍(lán)色塊所示)的負(fù)端(藍(lán)塊)與**組正端短接,按序操作,直至第17組負(fù)端終止。每組正端引出導(dǎo)線(xiàn),加第17組負(fù)端,共計(jì)18根導(dǎo)線(xiàn),與電池組18個(gè)節(jié)點(diǎn)按序連通。當(dāng)圖3示右邊的旋轉(zhuǎn)臂連續(xù)旋轉(zhuǎn)時(shí),電容器將與電池組每個(gè)單體電池循環(huán)并聯(lián),電容不斷充放電,*終使電池組各單體電池電壓趨于一致。
該17通道連續(xù)旋轉(zhuǎn)繼電器也適用于串級(jí)數(shù)少于17的電池組,適用對(duì)象是單體電池一致性較好的全新電池組。若應(yīng)用于二次電池,均衡電流不可控將可能使觸點(diǎn)燒蝕氧化,失去均衡效果。特別地,為防止某些觸點(diǎn)失效,同一組電池可以連接兩只繼電器,分時(shí)運(yùn)行。兩只繼電器在同一組號(hào)上觸點(diǎn)同時(shí)失效的概率極低,因此能達(dá)到充分的自主均衡。
正反轉(zhuǎn)定位繼電器的實(shí)例設(shè)計(jì)目標(biāo)是大電流均衡,通常含增程(補(bǔ)容)作用,均衡元件是后備輔電池。應(yīng)用于汽車(chē)電池組時(shí),可行的設(shè)計(jì)方案是配置4組切換觸點(diǎn)。當(dāng)后備輔電池始終接入主電池組時(shí),以均衡目標(biāo)為主,則輔電池可以不配置升降壓電路;當(dāng)后備電池經(jīng)常離線(xiàn)更換,單獨(dú)充電,用于增程目的時(shí),則輔電池需標(biāo)配升壓或降壓電路。
4通道型定位繼電器的觸點(diǎn)設(shè)計(jì)面積大,且旋臂兩只動(dòng)觸點(diǎn)設(shè)計(jì)在旋轉(zhuǎn)中心兩邊,以平衡兩付動(dòng)、靜觸點(diǎn)接合力。為減少接觸電阻,定位繼電器取消連續(xù)旋轉(zhuǎn)繼電器中的滑觸線(xiàn)概念,用柔性導(dǎo)線(xiàn)方法來(lái)應(yīng)對(duì)臂的旋轉(zhuǎn)角差。其繼電器盤(pán)片和旋轉(zhuǎn)臂設(shè)計(jì)見(jiàn)圖4。
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圖4中,在盤(pán)片正面布設(shè)兩圈導(dǎo)電環(huán)道,導(dǎo)電環(huán)切分為等隔的四組滑觸點(diǎn),內(nèi)圈的厚短,外圈的細(xì)長(zhǎng),**組觸點(diǎn)(紅、藍(lán)色塊)外圈的標(biāo)記為A1+,內(nèi)圈標(biāo)記A3-,按序標(biāo)記。然后在盤(pán)片背面將A1-與A2+短接、A2-與A3+短接、A3-與A4+短接、A4-引出導(dǎo)線(xiàn)5,再加上圖示1、2、3、4號(hào)導(dǎo)線(xiàn),共5線(xiàn),可連接電池組中四串電壓等級(jí)相同的電池包(包指單串或多串組合)。
定位繼電器的旋臂上每個(gè)動(dòng)觸點(diǎn)設(shè)計(jì)由多個(gè)彈片組合而成,以確保過(guò)流能力。輔電池接入端直接由旋臂引出,引出導(dǎo)線(xiàn)彎折斷裂風(fēng)險(xiǎn)由兩個(gè)措施來(lái)消除,一為旋臂只在325度范圍內(nèi)來(lái)回旋轉(zhuǎn),二是采用柔性導(dǎo)線(xiàn)在旋臂層盤(pán)旋一至二圈來(lái)消弱導(dǎo)線(xiàn)彎曲作用力。
定位繼電器因需要**定位,因此相較連續(xù)旋轉(zhuǎn)繼電器需多出角度檢測(cè)或位置檢測(cè)等元件及電路。仍以汽車(chē)電池應(yīng)用4通道定位繼電器為例,在主電池組內(nèi)配置大4小共計(jì)5只四通道定位繼電器,1+4模式二級(jí)級(jí)聯(lián),則目標(biāo)電池串?dāng)?shù)*大為16。將目標(biāo)電池組的總串?dāng)?shù)以整數(shù)方式分解為小于等于16的份數(shù),每份數(shù)電壓等級(jí)相同。假設(shè)為16等份,每份電壓24V時(shí),電池組總電壓可達(dá)384V,每份電壓為48V時(shí),電池組總電壓可達(dá)768V,此兩個(gè)電池組電壓等級(jí)基本涵蓋了電動(dòng)小汽車(chē)至電動(dòng)大巴的應(yīng)用。
因此,據(jù)此設(shè)計(jì),在電池組箱體上設(shè)置二芯均衡(增程)接口,外接一個(gè)容量可選的24V或48V后備輔電池,既做到了對(duì)主電池組的部分均衡目標(biāo)(電池包間均衡),也起到了應(yīng)急和增程的效果。以上兩個(gè)應(yīng)用實(shí)例以車(chē)載電池使用來(lái)論述,車(chē)載的要**元器件小而精巧,當(dāng)應(yīng)用環(huán)境轉(zhuǎn)移到儲(chǔ)能環(huán)境而言,上述兩種類(lèi)的旋轉(zhuǎn)繼電器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)允許有較大的更改,以適應(yīng)儲(chǔ)能環(huán)境的具體要求。
二種類(lèi)旋轉(zhuǎn)繼電器的混合應(yīng)用或單獨(dú)應(yīng)用,在全新電池或梯次利用電池的多樣化使用中,都將發(fā)揮其高效的均衡作用。并且,隨著技術(shù)的進(jìn)步,均衡概念必將淡化,特別是輔電池方案的提出,電池組的**應(yīng)用,未來(lái)的目標(biāo)是能量流可控調(diào)節(jié)。
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