反思电动汽车和电网与能源存储的电池管理

日期:2013-02-05

  作者:David G. Morrison,How2Power.com

  大型、高功率电池组预计将在两个技术革命中发挥核心作用。一个是通过进一步发展和采用电动和混合动力电动汽车实现汽车电气化。另一个是部署电网的基于电池的能量存储。但是,在这些技术可以大规模变革发生之前,电池技术必须提前提供性能、使用寿命,并且实现目标应用的低成本。

  有很多关于电池发展的新闻,涉及电池化学或构造的改进,但Element Energy的Eric Macris和John Bendel最近的一篇文章解释了电池管理的创新如何可以对电池的性能和成本关键环节产生巨大的影响。

  在他们的文章“硬件、软件体系结构提高了大型、电池供电系统的性能”中,它最近发表在How2Power,Macris和Bendel描述了一个集成的硬件和基于软件的电池管理方法,针对大型、多芯锂离子电池组,有望加倍电池循环寿命,同时还延长了电池运行时间(每次充电)高达10%。

  Element Energy的电池管理系统的其他好处是电池化学的不可知方面,包括减少30%的充电时间、电池组内电压调节的整合,以及提高电池组安全性和可靠性的电池组单元格级别隔离的主动控制。

  如Macris和Bendel的解释,控制大型、多芯电池组的充电和放电的主要挑战源于个别电池的特性退化,它通常连接在产生高电压的长串联串中(图1)。电池退化的一个重要影响的一些电池充电比其他电池快。无需电池管理系统的干预,这些快速充电电池可以导致过高的热失控点。在传统电池管理方法中,分流电阻并联切换快速充电电池,以防止其过充电,同时给其他电池达到满充电的机会。

  图1:典型电池组,如正在开发的电动汽车和并网能源存储系统既昂贵,又短命,既大又复杂和受限。电池变化使电池组的整个生命周期退化。最终,导致电池组的性能和运行寿命受限。

  作者解释说,这种传统电池管理方法有重大缺点。“它是针对电池之间问题的妥协解决方案。它仅为管理电池之间电荷平衡的均匀性提供了有限的机制。此外,它本质上迫使异种电池的执行,就好像它们是相同的——可以在一段时间实现一个目标,而以牺牲电池组寿命为代价。从长远来看,这样的架构加剧了电池之间的差异,缩短了电池组寿命;迫使它们提供类似强固电池的性能,随着时间的过去使微弱的电池更加微弱。这些脆弱的电池最终可终身管理电池组。”

  凭借其新颖的系统架构,Element Energy改变了使用分流电阻的常规方法。相反,它采用了硬件和软件的组合来连续优化每一个电池的充电和放电。在其架构中,一个dc-dc转换器可缓冲该系统其余部分的每个单独电池。这允许对每个电池的电压和电流独立管理整个电池组级别电压和电流(图2和图3)的变化。通过连续调节每个电池的电气负载,Element的集成能量管理系统最大化了整个电池组运行寿命的每个电池贡献的能量。这会导致前面提到的增加一倍的电池寿命。

  图2:Element Energy的集成能源管理系统采用dc-dc转换器器来缓冲大型、多节电池组的每个电池,这可以独立管理整个电池组级电压和电流变化的每一个电池的电压和电流。

  图3:用Element的集成能源管理系统测试的电池组。

  根据Macris和Bendel的说法,这个系统可以用相对低廉的元件实现。而硬件本身不会严重影响电池管理系统的成本,它也实现了一个新发现的灵活性。控制单个电池负荷允许电池管理抽象成系统架构的软件层,“充放电曲线可以针对电池组中的每一个电池真正独立和连续管理。”

  Element Energy对它的电池管理系统进行了一系列实验测试,测试了用现成的18650圆柱形锂离子电池组装的大型电池组。对照组电池组使用传统电池管理方法,而实验组电池组采用Element的集成能源管理系统构建。这些电池组的设计和构建、试验条件、结果和分析的全部细节已在Macris和Bendel的文章中提供,见2012年12月的How2Power Today,网址www.how2power.com/newsletters。

  这些实验代表,该公司已对它的电池管理系统进行了第一次大规模测试。而这些实验支持了上述改进电池性能的要求,作者声称,这些初步结果只是其新技术开始获得的好处。作者指出,“随着电池行为建模和充电时间均匀性的改善,以及各种其他软件的进步,人们可以合理地预期循环寿命延长30%,甚至更短的充电时间,以及其他各种性能收益。”

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  作者简介

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