同样是锂电池,为什么手机和电动车使用时间相差甚远?

来源:锂电池,锂电池厂家   2019-11-19  阅读数:

  同样是锂电池,为什么手机和电动车使用时间相差甚远?我的iPhone 8P用了一年半,现在“电池健康”显示数值为85%——而作为对比,我的插电混动车开了两年快3万公里。看不到具体衰减数值,但充满电的续驶里程从63掉到了62km,满打满算这62马上就要衰减到61,那就是掉了2km,健康度为96.8%。这比手机的健康数字,要看上去好很多。

  虽然插混车不等于电动车,但是我基本天天充电,纯电里程占比超过70%是没有问题的。

虽然只剩85%的容量,但iOS还是提醒我说,我的手机处于“峰值性能容量”

  相比于手机,电动车的电池在整个寿命循环中,面临的挑战很不一样。主要有两个优势和一个劣势:

  优势一是放电循环次数少——用掉一次100%的能量记为一个循环,对于我这样的iPhone用户来说,手机每天用超过100%的电量是蛮正常的;但是电动车续驶里程至少有300km,除了出租车之类的运营车辆,很少有人会每天保持开300km以上。长此以往,手机的放电循环次数,往往会会远高于电动车。

  优势二是电动车对于续驶里程的追求尽管迫切,但是比起手机来说还是没有那么迫切。我们打开手机看看就知道,电池的体积和空间占了手机整体的一半都不止;而电动车电池虽然大,但还不至于这么夸张。这样工程师就可以适度降低电动车电池的放电深度( DOD,Depth of Discharge )尽量避免电池在电量最高和最低的区间使用,有助于减缓衰减,延长电池寿命。

iPhone 8P里苹果就是塞了个线性马达,但是就被人质疑太占用电池的空间(尽管我很喜欢iPhone的震动手感)。相比之下电动车电池的空间占比就显得小了。

  至于那个劣势,就是电动车的电芯要多很多。一辆车一般有个一两百节电芯是正常的,像特斯拉这样使用消费电子领域圆柱电芯的,可能有6000节左右电芯需要管理。而手机一般只有一片电芯。电芯间的差异会导致性能方面的限制,作为一个新能源汽车科普号,接下来我们就介绍一下,新能源汽车工程师是如何解决这个问题的。

  而电芯间不一致,是可以通过BMS(电池管理系统)来“妙手回春”的。其中很重要的“治疗过程”就是——“电池均衡( Balance)”。

  电池包下线出厂时,所有电芯的容量和SOC基本一致,这里可以把每个电芯看做一个碗。

  容量一致,是指每个碗的大小-样。SOC( State of Charge ,荷电状态)一致,是指50ml的碗装25ml水和40ml的碗装20ml水时的SOC都是50%,剩余容量与其满电容量的比值相同。

  只有在容量一致,SOC也一致的状态下,所有电芯才能同步充满和放空。电池包能充入和放出的电量最多,所有电芯的能力都可以得到最大的释放,电池包容量也可以达到最大值。一般电池在出场的时候能基本达到这种状态。

这种整整齐齐的状态,基本只存在在电池刚刚出厂的时候。

  步调整齐,一致性好。但就像同一个班级总有100分和60分一样,随着使用年限和充电次数的增加,电池内部也不可避免的出现一些小变化,电芯容量与电芯内剩余电量百分比SOC开始出现不同。

根据木桶原理,一个平放的木桶,它能装的水量是由最短板决定的,电池包容量也是如此。

所有电芯同步充放电的,此时只要有一个电芯充满或放空,其他电芯便不能再继续充放电,这会导致:

  ①电池包内存储的总能量减少,续驶里程缩短;

  ②电池老化衰减变快;

  会导致某些电芯在充电或者放电的过程中过流,进而导致析锂,即锂离子变为锂单质,不可再用。析锂这种不可逆的衰减,将对电池包造成永久伤害。

  ③过充过放的概率增大,增加安全隐患;

  一旦有某一电芯充满,不论其他电芯还缺少多少电量都不能继续充电,否则会出现过充或过放现象。长期过充可能会导致电芯起火等危险事件,长期过放会导致电芯内部结构破坏,同样增加安全隐患。

参差不齐,一致性差

电芯间的差异一般有三种:

  1.SOC一致,容量不一致;

  2.容量-致,SOC不一致;

  3.容量和SOC都不一致。

  对于第一种情况,SOC一致,容量不一致。就好像一个碗的边缘有了缺口,原本能装50ml水,但现在只能装40ml,否则就会从缺口漏出来。此时,容量小的最先充满和放空,是整个电池包容量的瓶颈。我们想象一下,在充电前,三节容量不同的电芯他们的SOC是相同的,即当前电量都是满电电量的一半。

  起始状态:三节容量不一致的电芯都处于50%SOC,即当前电量都是满电电量的一半。在充入相同的电量后,容量最小的电芯达到满充状态。这时无法对电芯继续进行充电,因为如果继续充,那节容量较小的电芯,将会过充电,长期过充甚至会导致电芯起火等危险事件。

在这种情况下,容量小电芯,会最先被充满和放空


  同理,对这些电芯进行放电时,容量最小的电芯同样首先达到放空状态。此时无法继续放电,因为如继续放电,已放空的电芯将会过放电,长期过放会导致电芯内部结构破坏,发生危险。

  对于第二种情况,容量-致,SOC不一致。这就类似于每个碗都是完好的,但是碗内的水量不尽相同。有的当前电量是满电状态的70%,有的是50%。

  起始状态:容量相同的三节电芯,SOC当前电量与满电电量占比不一样。可以发现,SOC最高的电芯最先充满,SOC最低的电芯最先放空。而且此时只能停止充放电,以避免过充和过放行为发生。SOC最低的电芯是整个电池包容量的瓶颈。

在这种情况下,SOC最高的电芯最先充满,SOC最低的电芯最先放空

  但实际场景往往更复杂,容量和SOC都可能不一致。这类似于有的碗有缺口,有的碗没有缺口,有缺口的碗的缺口大小还不一致。同时,每个碗里的水量也不一样。

这时候,SOC最高的电芯可能最先充满,也有可能最先放空。已经无法再简单地将电芯当前的容量或者SOC作为评判标准。

  面对现实中更复杂的电动汽车使用工况下,对均衡逻辑判断及控制模块提出了较高的要求,即检查手段和医术水平都必须升级。电芯外部能够实时测量到的变量一般有三个,将此电压,电流与温度的信息引入算法,即可得到每节电芯的SOC值、此时的可用容量。将两个数据结合,综合判断此时电芯间的不一致状态,就可以以此为依据判定电池包是否需要进入均衡状态。

锂电池均衡具体是如何操作的?

  锂电池均衡技术主要分为两种:被动均衡与主动均衡。

  被动均衡又称为能量耗散式均衡,工作原理是在每节电芯上并联一个电阻。当某个电芯已经提前充满,而又需要继续给电池包充电时,接上电阻,对其进行放电,把多余的能量耗散掉。

典型的被动均衡电路

  被动均衡电路的优点是结构简单,布局成本低,硬件实现简单等,在电动汽车上广泛应用。说白了就是在模组控制电路板上设计很多的电阻,一个电阻对应一节电芯。当某节电芯的SOC较高时,就主动将能量通过电阻发热,耗散掉。

我们能清楚看到,控制器PCB板上的放电电阻

  但同时,被动均衡的缺点也很明显。多余的能量会直接转化为热被耗散掉,能量使用效率低。如果在行车中使用被动均衡,还可能会对续驶里程产生影响。另外,均衡产生了大量热,对电路稳定性也存在一定的影响。因此,对被动均衡电路来说,一个优秀可靠的均衡控制策略就显得尤为重要。

  另一种专业叫法是非能量耗散式均衡,也就是主动均衡。其原理为将能量高的电芯内的能量转移到能量低的电芯中去。这个碗里装不下,贡献出来,转移到没有填满的碗。

  从专业结构上来说,主动均衡还可以细分为开关电容式均衡,变换器式均衡以及电感式均衡。

  以开关电容式均衡电路为例,电容作为能量的载体,将能量较多的电芯中的能量转移到能量较低的电芯中。单一层级的均衡仅可实现相邻两节电芯的均衡。在均衡电路上再加入分层电路,可进一步实现锂电池组间的均衡,加速均衡速度。

开关电容式均衡电路

典型的分层式均衡电路

  主动均衡电路的优势在于能量损耗较小,但是其回路成本高,拓扑结构复杂。而且电容和电感的体积大,会导致空间需求大等。因此在电动汽车上的应用量较小。如何攻破主动均衡在结构硬件上的难题,是目前各BMS研发团队的研究重点之一。

  其实不论是主动均衡还是被动均衡,如何让每个碗都尽量的多装水,同时也可以将碗内的水都尽量放空,是设计的最终目标。

  必须要看到的是,衰减是真实存在的,就像衰老是真实存在的,每个人活一天就少一天。但如果天天这样想,生活会变得很灰暗。优秀的BMS工程师,可以通过以上方式,将锂电池寿命衰减的速度控制在合理的范围内。

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