在电池容量和电池寿数之间该如何进行平衡？

电动轿车（EV）和混合动力电动轿车（HEV）的电池技能现已获得了显着进步，不光电池能量密度已稳步进步，并且电池还能可靠地充电和放电数千次。如果规划工程师能有用使用这些技能进步，那么就本钱、可靠性和寿数而言，电动轿车和混合动力电动轿车就有潜力与传统轿车竞争。

 

一个电池规则的容量是指电池从100%充电状况到零充电状况所能供给的电量。充电到100%充电状况或放电到零充电状况会敏捷缩短电池寿数，因而应该细心办理电池以避免完全充电或完全放电状况。与作业在30%~70%的充电状况之间（使用40%的容量）相比，作业在10%充电状况到90%充电状况之间（使用80%的规则容量）能够将电池的充电循环总次数削减到原来的1/3或更低。

 

在有用电池容量和电池寿数之间进行平衡给电池体系规划工程师带来了应战。考虑前文说到的使用40%容量与使用80%容量的状况。如果体系将电池为限制为仅使用其40%容量，以便使电池寿数延长到原来的3倍，那么电池尺寸有必要增大1倍以获得与使用80%容量状况下一样多的可用容量。但这会使电池体系的分量和体积增大1倍，从而进步本钱并降低效率。

 

轿车制造商一般要求电池寿数超越10年，且对必需的可用电池容量做了规则。电池体系规划工程师面对的应战是有必要竭尽所能用最小的电池组实现最大的容量。为达到这个方针，电池体系有必要选用精密的电子电路细心操控和监督电池。

 

电动轿车电池组体系电动轿车电池组由多个电池串联叠置组成。一个典型的电池组大约有96个电池，充电到4.2V的锂离子电池而言，这样的电池组可产生超越400V的总电压。虽然轿车电源体系将电池组看作单个高压电池，每次都对整个电池组进行充电和放电，但电池操控体系有必要独立考虑每个电池的状况。如果电池组中的一个电池容量稍微低于其他电池，那么经过多个充电/放电周期后，其充电状况将逐渐违背其它电池。如果这个电池的充电状况没有周期性地与其它电池平衡，那么它最终将进入深度放电状况，从而导致损坏，并最终形成电池组毛病。为避免这种状况发作，每个电池的电压都有必要监督，以确定充电状况。此外，有必要有一个装置让电池单独充电或放电，以平衡这些电池的充电状况。

 

电池组监督体系的一个重要考虑因素是通讯接口。就PC板内的通讯而言，常用的选项包含串行外设接口（SPI）总线、I2C总线，每种总线的通讯开销都很低，适用于低搅扰环境。另一个选项是操控器局域网（CAN）总线，这种总线在轿车应用中被广泛使用。CAN总线非常鲁棒，具有误差检测和毛病容限特性，但是它的通讯开销很大，材料本钱也很高。虽然从电池体系到轿车主CAN总线的衔接是值得要的，但在电池组内选用SPI或I2C通讯是有优势的。

 



一、容量足够大

 

　　电池的制造需要较多的极片，并且要求电芯的一致性较好。这样就要求，浆料需要一定的一致性，在实际搅拌过程中会因为搅拌操作、时间、加料顺序等原因造成每锅浆料并不完全相同，即使在一样的工艺条件下每次浆料的粘度都并不一定相同。所以，需要搅拌机具有一定的容量，目前大型的搅拌机可以做到2000L，容量足够大时必须要考虑搅拌的能力和物料的混合效果。

 

　　二、具有好的真空密闭系统

 

　　搅拌机需要好的真空密闭系统，其主要原因有三点:

 

　　①在整个搅拌过程中，由于物料之间频繁碰撞、摩擦，以及搅拌器与物料之间的摩擦，会产生较多热量，导致温度升高。温度升高会造成部分溶剂会发，产生很大刺激性气味，如NMP、PVDF等，有机气体对人体有很大的伤害。

 

　　②粉料在干粉预混阶段，如果密闭系统不够好，就会使粉尘四扬，破坏工作环境影响产品质量并对员工造成伤害。

 

　　③粉体内部有较大空隙，在与溶剂混合后，浆料内部必然会有很多气泡。需要对浆料进行脱泡处理，才能进行极片涂覆，否则会在涂布过程中出现气泡破裂，面密度不同甚至露箔的现象，这对电池的性能是极度不利的。

 

　　三、搅拌机材质具有较强耐腐蚀、耐磨、稳定的物化性质

 

　　很显然，无论正极材料的强碱性、NMP的强腐蚀性等等都需要搅拌机具有优秀的耐腐蚀性。在搅拌过程中，搅拌器对粉料的不断搅拌则要求其具有耐磨性，具有足够长的使用寿命。

 

　　四、搅拌器叶片结构合理、搅拌速度设计满足要求

 

　　搅拌机中除了要有足够的搅拌动力和搅拌范围，搅拌器叶片的形状、力学设计等等都对浆料制备有很大的影响。首先，必须保证搅拌器的搅拌范围足够大，在搅拌容器内无死角。目前在较大的搅拌机中采用的是双轴甚至三轴行星式搅拌器，来确保无粉料或结块活物质未均匀混合到浆料中。

 

　　其次，搅拌器的形状设计对物料的分散、混合、粒度分布、流动性等具有绝对的影响。目前市面上常见的形状包括桨叶式、蝶式、锚式、麻花式、爪式、框式等，设备中最好配备有高速分散设备，因为有的材料需要高速剪切力对其进行分散，故具有一定的必要性。第三则要求设备具有满足要求的搅拌速度，以满足高分子量、超细粉体分散的要求。

 

凌力尔特公司（Linear）现已推出一款使电池体系规划工程师能够满意这些严苛要求的器材。LTC6802是一个电池组监督器IC，能测量多达12个叠置电池的电压。LTC6802还有内部开关，使电池能够单独放电，以便它们能与电池组中的其它电池进入平衡状况。

 

为说明电池组架构，考虑一个具有96个锂离子电池的体系。这将需求8个LTC6802来监督整个电池组，其中每个器材作业在不同的电压。当选用4.2V锂离子电池时，底端监督器材将跨接在12个电池上，电位调节范围为0~50.4V，下一组电池的电压范围为50.4V到100.8V，顺着电池组依此类推。这些器材之间在不同的电压上进行通讯带来了难以克服的应战。人们现已考虑过多种方法，但因为轿车制造商优先考虑的要点不同，每种方法都有优点和缺点。

 

电池监督要求在电池监督体系架构之间作抉择时，至少有5个需求平衡的首要要求。它们的相对重要性取决于最终客户的需求和期望。

 

1. 准确性。为了使用或许的最大电池容量，电池监督器需求准确。不过，轿车是一种噪声体系，在很大的频率范围内存在电磁搅扰。任何的准确性降低都会对电池组寿数和功能造成有害影响。

 

2. 可靠性。不管选用何种电源，轿车制造商有必要满意极高的可靠性标准。此外，高能量容量以及有些电池技能潜在的不稳定本性是人们忧虑的首要安全问题。相对于严重的电池毛病，在保守性条件下履行关断操作的毛病安全体系更加可取，虽然它有或许使乘客不幸滞留。因而，有必要细心监督和操控电池体系，以在体系中保证对整个电池寿数期的全面操控。为最大极限削减假的和真的毛病，一个良好规划的电池组体系有必要有鲁棒的通讯，最大极限削减毛病形式以及毛病检测。

 

3. 可制造性。现代的轿车已包含很多选用复杂布线线束的电子产品。就轿车制造而言，增加复杂的电子电路和配线以支撑电动轿车/混合动力电动轿车电池体系会使复杂性更高。总的组件和衔接数量有必要尽量地少以满意严厉的尺寸和分量限制，并保证大批量生产是切实可行的。

 

4. 本钱。复杂的电子操控体系或许很昂贵，最大极限削减如微操控器、接口操控器、电流阻隔器和晶振等本钱相对高昂的元件数量可大大降低体系的总本钱。

 

5. 功率。电池监督器自身也是电池的负载，其较低的作业电流可进步体系效率，较低的备用电流可在轿车熄火后避免电池过度放电。

 

电池监督架构图1至图4给出了4种电池监督体系架构。假定一个由96个电池组成的体系以12个电池为一组分成8组，表中对这种状况下的每种架构的优点和缺点进行了总结。在每种状况下，一个LTC6802监督一个由12个电池组成的电池组。每种架构都规划为一个自主的电池监督体系，都供给到轿车主CAN总线的CAN总线接口，且与轿车的其余部分是电流阻隔的。

 

1.并行独立CAN模块（如图1）每个由12个电池组成的模块都含有一个电路板，板上有LTC6802、微操控器、CAN接口和电流阻隔变压器。体系所需的很多电池监督数据会使轿车的主CAN总线崩溃，因而这些CAN模块需求在局域CAN子网上。CAN子网由主操控器和谐，该操控器还供给至轿车主CAN总线的网关。

 

2.具CAN网关的并行模块（如图2）每个由12个电池组成的模块都含有一个电路板，板上有LTC6802和数字阻隔器。这些模块与操控器电路板有独立的接口衔接，操控器电路板上含有微操控器、CAN接口和电流阻隔变压器。微操控器和谐这些模块并供给到轿车主CAN总线的网关。

 

3.具CAN网关的单个监督模块（图3）在这种装备中，由12个电池组成的模块内部没有监督和操控电路，而是在单个电路板上有8个LTC6802监督器IC，每个IC都衔接到其电池模块。LTC6802器材经过非阻隔SPI兼容串行接口通讯。单个微操控器经过SPI兼容串行接口操控全部电池组监督器，并充当到轿车主CAN总线的网关。这些再加上CAN收发器和电流阻隔变压器就形成了完好的电池监督体系。

 



 

图3：具CAN网关的单个监督模块。

 

4.具CAN网关的串行模块（图4）这种架构类似于单个监督模块，除了每个LTC6802都在由12个电池组成的模块内部的电路板上。这8个模块经过LTC6802非阻隔SPI兼容串行接口通讯，这需求在电池模块对之间衔接3或4个传导电缆。单个微操控器经过底部监督器IC操控全部电池组监督器，一起兼作到轿车主CAN总线的网关。这里仍然需求CAN收发器和电流阻隔变压器以形成完好的电池监督体系。

 



 

图4：具CAN网关的串行模块。

 

电池监督架构挑选因为并行接口需求很多衔接和外部阻隔，第1种和第2种架构一般易产生问题。为应对复杂性进步的问题，规划工程师需求实现到每个监督器器材的独立通讯。第3种和第4种架构都是限制最少的简化方法。LTC6802可满意所有这4种装备的需求，体系规划工程师能够挑选LTC6802的两个版别，一个用于串行装备，一个用于并行装备。

 

LTC6802-1用于叠置式SPI接口装备。多个LTC6802-1器材能够经过一个接口串行衔接，该接口无需外部电平移位器或阻隔器就可沿着电池组来回发送数据。LTC6802-2允许单个器材用在并行架构中。这两个版别器材具有同样的电池监督标准和功能。

 

电动轿车对电池组有很多需求。轿车制造商希望具经济效益的电池体系，以满意他们严厉的可靠性要求。凌力尔特公司最新的电池监督器IC给体系规划工程师在功能不打折扣的状况下挑选最佳电池组架构带来很大的灵活性。