對(duì)有問(wèn)題的電池進(jìn)行電池管理

我最近完成了一個(gè)將我自己的私家車改裝為電動(dòng)汽車 (EV) 的項(xiàng)目，作為一名工程師，我必須把它做好。

我收到的電池，只被告知它們來(lái)自保時(shí)捷 944 EV 轉(zhuǎn)換，可能有 200 個(gè)充電/放電周期。賣方對(duì)他的轉(zhuǎn)換表現(xiàn)不滿意。他主要將其歸因于一開始的汽車狀況不佳。如果沒(méi)有適當(dāng)安裝一切的預(yù)算，汽車的性能會(huì)導(dǎo)致平衡性差、操控性差和可能的安全風(fēng)險(xiǎn)。因此，他擴(kuò)大了自己的目標(biāo)，從頭開始設(shè)計(jì)一輛新車。他的電池不再適合他的新項(xiàng)目，但我當(dāng)然可以使用它們，而只需支付新電池成本的三分之一。作為一個(gè)簡(jiǎn)單的小容量用戶，我無(wú)法獲得最好的鋰離子電池電池技術(shù)，如果選擇用過(guò)的電池，那么我不知道它們是否在同一個(gè)包或環(huán)境中使用。我必須使用我能負(fù)擔(dān)得起或得到的任何東西。我不知道串聯(lián)組成我的電池組的多個(gè)電池是否是在同一小時(shí)、一天、一周、一個(gè)月甚至一年制造的！但是我能夠找到用過(guò)的電池來(lái)節(jié)省大量費(fèi)用——太好了，不能錯(cuò)過(guò)。

如您所見(jiàn)，它們以不同的組合出現(xiàn)，因?yàn)樗鼈兎稚⒃谄囍車魏斡锌臻g的地方，包括引擎蓋下和后艙口。我不知道它們是什么時(shí)候購(gòu)買的（一起或單獨(dú)購(gòu)買），這些電池暴露在什么溫度下，它們是否被電池管理系統(tǒng) (BMS) 監(jiān)控和/或管理，或者它們是如何充電的。

通常，為原始設(shè)備制造商 (OEM) EV 使用而構(gòu)建的新電池組由匹配良好的電池制成，并在它們從電池生產(chǎn)線下線時(shí)直接組裝。這些電池將始終一起充電，一起使用并使用相同的算法進(jìn)行管理。大多數(shù) OEM 應(yīng)用程序也具有某種熱管理功能，以確保電池組中的所有電池都處于盡可能平等的環(huán)境中。

通過(guò)引起電池阻抗的變化，溫度對(duì)電池性能的影響最大。如果對(duì)所有電池施加相同的負(fù)載，但某些電池處于不同的溫度，它們將受到電池材料的額外膨脹和收縮。這一切都導(dǎo)致了非常不同的老化特征。結(jié)果是電荷不匹配，因?yàn)樗鼈兊碾姵乩匣煌?；很快就?huì)出現(xiàn)容量不匹配的情況。如果不加以管理，整體電池組容量會(huì)受到最低電池電壓的限制，從而導(dǎo)致車輛續(xù)航里程減少。

基本電池組設(shè)計(jì)原則：

· 當(dāng)?shù)谝粋€(gè)電池充滿時(shí)，必須停止充電。

· 當(dāng)?shù)谝粋€(gè)電池變空時(shí)，必須停止放電。

· 弱cell比強(qiáng)cell衰老得更快。

· 最薄弱的電池最終會(huì)限制電池組的可用能量（最薄弱環(huán)節(jié)）。

· 電池組中的系統(tǒng)溫度梯度會(huì)削弱在較高平均溫度下運(yùn)行的電池。

· 如果沒(méi)有平衡，在每個(gè)循環(huán)中，最弱和最強(qiáng)電池之間的電壓差都會(huì)增加。最終，一個(gè)電池將始終接近最大電壓，而另一個(gè)電池將始終接近最小電壓→阻止電池組充電或放電的能力。

由于這些電池永遠(yuǎn)不會(huì)與它們最初的用途相匹配，而且因?yàn)槲抑牢业陌惭b需要它們承受不同的溫度，所以我必須提供電池平衡。

鋰離子電池主要有兩種失配；電荷失配和容量失配。當(dāng)相同容量的電池逐漸發(fā)散以包含不同數(shù)量的電荷時(shí)，就會(huì)發(fā)生電荷不匹配。當(dāng)具有不同初始容量的電池一起使用時(shí)，會(huì)發(fā)生容量不匹配。由于電池組通常與幾乎同時(shí)構(gòu)建的電池組裝在一起，工藝變化非常小，因此電池通常匹配良好，僅電荷不匹配更為常見(jiàn)。但是，如果電池組是由來(lái)源不明的電池組裝而成，或者構(gòu)建過(guò)程存在很大差異，則可能會(huì)出現(xiàn)容量不匹配的情況。

有兩種基本類型的電池平衡：被動(dòng)平衡和主動(dòng)平衡。以下是基本功能及其優(yōu)缺點(diǎn)的簡(jiǎn)要列表：

被動(dòng)平衡：

· 易于實(shí)施（硬件和軟件）

· 便宜的

· 減少電荷不匹配

· 小平衡電流（<1A）

· 產(chǎn)生熱量——消耗能量！

主動(dòng)平衡：

· 更高的效率

· 增加可用容量

· 減少充電和容量不匹配的影響

· 更快的充電時(shí)間

· 充放電工作

· 大平衡電流（>1A）快速平衡大電池

· 更長(zhǎng)的包裝壽命

· 混合/匹配新/舊模塊

· 可以在模塊內(nèi)使用不匹配的電池（提高產(chǎn)量）

· 主動(dòng)平衡看起來(lái)像是要走的路！

我決定使用我能接觸到的最激進(jìn)的 TI BMS。所有電池都將始終保持在毫伏范圍內(nèi)，以確保我始終從電池組中獲得最多。由TI EM1401EVM 板管理的電池使用所有 TI 部件來(lái)提供 5A 有源電池平衡（我設(shè)計(jì)的）。

系統(tǒng)的基本架構(gòu)，其中一個(gè) BMS 板安裝在管理每個(gè)模塊或電池組的電池旁邊。

以下是車輛的主要規(guī)格：

· 51x160Ah Thundersky LiFePO4 電池，分布在車輛周圍的五個(gè)模塊中，如下所示：

· 引擎蓋下：一個(gè) 12 芯模塊和一個(gè) 6 芯模塊

· 后地板下（更換油箱和備用輪胎）：三個(gè)模塊，每個(gè)模塊 11 節(jié)

· ~170V 充滿電：27kWh

· 1000A水冷直流電機(jī)控制器

· ~150kW 全功率：~200hp，250ftlbs

· 2900磅整備重量

· ~80英里范圍

· 儀表組轉(zhuǎn)換為 Android ODROID 板和 7 英寸觸摸屏，顯示實(shí)時(shí)功率、電壓、電流和 Wh/mile

· 消耗的 Wh 為 ~250Wh/mile 至 ~325Wh/mile