高電壓鋰離子電池組充電方法原理介紹
普通鋰離子電池組的串聯(lián)充電一般都采用串聯(lián)充電,這主要是因為串聯(lián)充電方法結構簡(jiǎn)單、成本低、較容易實(shí)現。但由于單體鋰離子電池之間在容量、內阻、衰減特性、自放電等性能方面的差異,在對鋰離子電池組串聯(lián)充電時(shí),電池組中容量最小的那只單體鋰離子電池將最先充滿(mǎn)電,而此時(shí),其他電池還沒(méi)有充滿(mǎn)電,如果繼續串聯(lián)充電,則已充滿(mǎn)電的單體鋰離子電池就可能會(huì )被過(guò)充電。
而鋰離子電池過(guò)充電會(huì )嚴重損害電池的性能,甚至可能會(huì )導致爆炸造成人員傷害,因此,為了防止出現單體鋰離子電池過(guò)充電,鋰離子電池組使用時(shí)一般配有電池管理系統(Battery ManagementSystem, 簡(jiǎn)稱(chēng)BMS),通過(guò)電池管理系統對每一只單體鋰離子電池進(jìn)行過(guò)充電等保護。串聯(lián)充電時(shí),如果有一只單體鋰離子電池的電壓達到過(guò)充保護電壓,電池管理系統會(huì )將整個(gè)串聯(lián)充電電路切斷,停止充電,以防止這只單體電池被過(guò)充電,而這樣會(huì )造成其他鋰離子電池無(wú)法充滿(mǎn)電。
電池管理系統帶有均衡功能由于從成本、散熱、可靠性等多方面考慮,電池管理系統的均衡電流一般遠小于串聯(lián)充電的電流,因此均衡效果不是很明顯,也會(huì )出現某些單體電池充不滿(mǎn)電的情況,這對于需要大電流充電的鋰離子電池組,例如電動(dòng)汽車(chē)用的鋰離子電池組而言則更為明顯。
例如,將100只放電容量都為100Ah的鋰離子電池串聯(lián)起來(lái)組成電池組,但如果成組前其中99只單體鋰離子電池荷電80Ah,另外1只單體鋰離子電池荷電100Ah,將此電池組進(jìn)行串聯(lián)充電時(shí),其中荷電100Ah的那只單體鋰離子電池會(huì )先充滿(mǎn)電,從而達到過(guò)充保護電壓,為了防止這只單體鋰離子電池被過(guò)充電,電池管理系統會(huì )將整個(gè)串聯(lián)充電電路切斷,也就使得其他99只電池無(wú)法充滿(mǎn)電,從而整個(gè)電池組放電容量也就只有80Ah.
電池管理系統和充電機協(xié)調配合串聯(lián)充電
電池管理系統是對電池的性能和狀態(tài)了解最為全面的設備,所以將電池管理系統和充電機之間建立聯(lián)系,就能使充電機實(shí)時(shí)地了解電池的信息,從而更有效地解決電池的充電時(shí)產(chǎn)生一些的問(wèn)題。
電池管理系統和充電機協(xié)調配合充電模式的原理為:電池管理系統通過(guò)對電池的當前狀態(tài)(如溫度、單體電池電壓、電池工作電流、一致性以及溫升等)進(jìn)行監控,并利用這些參數對當前電池的最大允許充電電流進(jìn)行估算;充電過(guò)程中,通過(guò)通信線(xiàn)將電池管理系統和充電機聯(lián)系起來(lái),實(shí)現數據的共享。電池管理系統將總電壓、最高單體電池電壓、最高溫度、溫升、最大允許充電電壓、最高允許單體電池電壓以及最大允許充電電流等參數實(shí)時(shí)地傳送到充電機,充電機就能根據電池管理系統提供的信息改變自己的充電策略和輸出電流。
當電池管理系統提供的最大允許充電電流比充電機設計的電流容量高時(shí),充電機按照設計的最大輸出電流充電;當電池的電壓、溫度超限時(shí),電池管理系統能實(shí)時(shí)檢測到并及時(shí)通知充電機改變電流輸出;當充電電流大于最大允許充電電流時(shí),充電機開(kāi)始跟隨最大允許充電電流,這樣就有效地防止了電池過(guò)充電,達到延長(cháng)電池壽命的目的。充電過(guò)程中一旦出現故障,電池管理系統可以將最大允許充電電流設為0,迫使充電機停機,避免發(fā)生事故,保障充電的安全。
在該充電模式下,既完善了電池管理系統的管理和控制功能,又能使充電機根據電池的狀態(tài),實(shí)時(shí)地改變輸出電流,達到防止電池組中所有電池發(fā)生過(guò)充電以及優(yōu)化充電的目的,電池組的實(shí)際放電容量也要大于普通的串聯(lián)充電方法,但是這種方法還是解決不了電池組中某些電池充不滿(mǎn)電的問(wèn)題,特別是當電池組串數多、電池一致性差、充電電流較大時(shí)。
并聯(lián)充電方法需要采用多個(gè)低電壓、大電流的充電電源為每一只單體電池充電,存在充電電源成本高、可靠性低、充電效率低、連接線(xiàn)徑粗等缺陷,因此目前沒(méi)有大范圍使用這種充電方法。
串聯(lián)大電流充電加小電流并聯(lián)充電
由于上述三種充電方法都存在一定的問(wèn)題,這里介紹較合適高電壓電池組,特別是電動(dòng)汽車(chē)電池組的充電方法,即采用電池管理系統和充電機協(xié)調配合串聯(lián)大電流充電加恒壓限流的并聯(lián)小電流充電的模式。
此充電方法有如下特點(diǎn):
(1)由于此系統的BMS具有防止過(guò)充電的功能,從而保證電池不會(huì )出現過(guò)充電的問(wèn)題。當然如果BMS不能與并聯(lián)充電電源進(jìn)行通信和控制,由于并聯(lián)充電電源的恒壓值一般與鋰離子電池組中單體鋰離子電池充滿(mǎn)電時(shí)的電壓值相同,所以也不會(huì )出現過(guò)充電的問(wèn)題。
(2)由于可以進(jìn)行并聯(lián)充電所以不需要可靠性低,成本相對較高的均衡電路,并且充電效果要好于只帶均衡電路的串聯(lián)充電方法,并且其維護管理也簡(jiǎn)便易行。
(3)由于串聯(lián)充電的最大電流遠大于并聯(lián)充電的電流(一般5倍以上),從而可以保證在較短的時(shí)間充進(jìn)去較高的容量,從而發(fā)揮出串聯(lián)充電的最大效果。
(4)充電時(shí)串聯(lián)充電與并聯(lián)充電的順序以及并聯(lián)充電電源的數量可以靈活掌握,可以同時(shí)進(jìn)行充電;可以串聯(lián)充電結束后再進(jìn)行并聯(lián)充電;也可以用一個(gè)并聯(lián)充電電源根據電池組中電壓的情況給電壓最低的電池進(jìn)行輪流充電。
(5)隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展,并聯(lián)充電電源可以為非接觸性充電電源(無(wú)線(xiàn)充電電源)或太陽(yáng)能電池電源,從而使并聯(lián)充電變得簡(jiǎn)單。
(6)當鋰離子電池組中單體鋰離子電池數目較多時(shí),可以將鋰離子電池組分成數個(gè)鋰離子電池組模塊,對每個(gè)鋰離子電池組模塊采用BMS和充電機協(xié)調配合串聯(lián)大電流充電與恒壓限流的并聯(lián)小電流充電相結合的方式進(jìn)行充電。
其主要目的是減少電池組中串聯(lián)電池數量較多時(shí),單體電池之間一致性相對更差,從而導致BMS和充電機協(xié)調配合的充電方法的充電效果差的缺點(diǎn),以便發(fā)揮出BMS和充電機協(xié)調配合充電模式的最大效果。
這種方法特別適合高電壓電池組是由可快速更換的低電壓(例如48V)電池模塊系統組成的電池系統,這樣就可以在電池更換站或充電站進(jìn)行并聯(lián)充電或修復(一般的用戶(hù)平時(shí)充電時(shí)可以不用并聯(lián)充電),并由專(zhuān)人根據實(shí)際情況進(jìn)行分選和重新配組。
采用電池管理系統和充電機協(xié)調配合串聯(lián)大電流充電加恒壓限流的并聯(lián)小電流充電的充電方法可有效解決鋰離子電池組串聯(lián)充電易出現的過(guò)充電、充不滿(mǎn)電等問(wèn)題,且可避免并聯(lián)充電的充電電源成本高、可靠性低、充電效率低、連接線(xiàn)徑粗等問(wèn)題,是目前最適合高電壓電池組,特別是電動(dòng)汽車(chē)電池組的充電方法。