电动汽车电池管理系统的演变：从被动电池均衡到主动电池均衡

2024-07-24 Knowles楼氏电容公众号
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随着电动汽车（EV）制造商努力使电池更经济实惠、更易于批量生产，我们看到了电池化学的变化。例如1，该行业正在从传统的钴锂离子电池转向磷酸铁锂（LFP）电池。钴等稀土金属供不应求，而磷酸铁锂等材料是一种更丰富、更可持续、更高效的替代品。


在楼氏电容，我们对电池化学的发展趋势很感兴趣，因为这些趋势激发了电池管理系统 (BMS) 的进步。BMS负责通过管理温度、执行充电状态 (SoC) 评估和进行电池均衡来监控电池组性能。


虽然被动电池均衡曾经是更常见的技术，但随着BMS的进步，一些电动汽车制造商正在转向主动电池均衡。这一变化影响到各级组件的选择，包括电容器的选择。采用主动电池均衡技术的BMS需要专门设计的高质量电容器。


主动式与被动式电池/电容器均衡

保持健康的电池SoC可延长电池寿命，防止在极端充电和放电情况下造成损坏。主动和被动电池均衡技术都旨在保持健康的SoC。由于较弱的电池单元充电和放电的速度往往快于较强或较高容量的电池单元，因此它们对系统运行时间的影响更大。


被动电池均衡2的目的是通过集中处理容量最低的电池（也称为 "弱 "电池）来均衡电池堆中电池的SoC。这种技术的目标是使电池堆中的每个电池看起来都是容量最弱的电池。使用相对较低的电流从SoC值较高的电池中消耗能量，从而实现平衡。这样可以确保所有电池都能充到最大SoC值，而无需考虑其真实容量，并且充电可以持续到每个电池都充满为止。虽然这种技术能以相对较低的成本实现平衡，但并不能延长系统的运行时间。此外，放电过程还会浪费能量。


与耗散电荷的被动电池均衡不同，主动电池均衡可重新分配电荷。如图 1 所示，主动电池均衡3是一种更复杂的技术，占用空间更大，但它能增加电池组中的可用电量，从而延长运行时间。在充放电循环过程中，将电荷从较强的电池单元重新分配到较弱的电池单元，还能减少整体充电时间和发热量。

图 1：采用主动均衡（下图）时，电荷从较强的电池单元重新分配到较弱的电池单元；结果是电池堆完全耗尽。而采用被动均衡（上图）时，未使用的容量仍会保留。出处4


主动单体均衡如何影响电容器的选择

基本设计的改变，如从被动电池均衡到主动电池均衡的转变，需要电路板级的调整，包括新的电容器。电容器在整个充电周期中充当主动均衡系统的中间储能设备。


飞跨电容器多电平逆变器是有源电池均衡的有力选择，因为它们可以临时存储和释放能量；尤其适用于均衡电压水平和优化可用电压。飞跨电容器通过在充电阶段连接电压较高的电池，在放电阶段连接电压较低的电池来实现这一目的。这一概念有时被称为 "充电穿梭"5。


楼氏电容的专业工程师团队在高可靠性陶瓷电容器方面拥有数十年的丰富经验，我们随时准备为您提供支持，帮助您选择改进BMS的元件。


1:[https://news.ti.com/whats-next-in-bms-safer-more-affordable-electric-vehicles]

2:[https://www.analog.com/en/resources/technical-articles/passive-battery-cell-balancing.html#:~:text=Passive%20balancing%20allows%20the%20stack,charge%20to%20their%20maximum%20]

3:[https://www.analog.com/en/resources/technical-articles/active-battery-cell-balancing.html#:~:text=Active%20cell%20balancing%20is%20a,decreasing%20heat%20generated%20while%20balancing.]

4:[https://www.analog.com/en/resources/technical-articles/active-battery-cell-balancing.html#:~:text=Active%20cell%20balancing%20is%20a,decreasing%20heat%20generated%20while%20ba]

5:[https://www.batterypowertips.com/active-cell-balancing-basics/#:~:text=So%2Dcalled%20flying%20capacitors%20can,referred%20to%20as%20charge%20shuttling.] 

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