目前有越來越多的大型交通工具和重型機械設備開始了電動化的進程,如公交車、重型卡車、軌道車輛、貨櫃儲能、港口吊車等,而鋰離子電池必然是目前較為適合的儲能裝置(ESS)。由於此類設備對ESS有著高容量的需求,因此在動力電池系統設計上可能會出現模塊級或系統級的二次並聯,在電池管理複雜性和運行可靠性等方面都有了新的要求。本文試著討論在並聯場景下的動力電池應用。
1.動力電池串並聯方式
動力電池在集成過程中免不了進行串並聯操作以達到目標需求的總壓和總容量。對於常見的動力電池系統都採用方式1:先並聯後串聯;如Tesla的Module為74P6S,再將16個Module串聯。先並聯後串聯的好處是顯而易見,首先電池採樣通道數量可以得到有效的控制,Tesla的動力電池系統雖然由7104節18650電池組成,而電壓採樣也只要96通道,降低了BMS的成本和複雜程度。同時在電池系統內部不會產生Module間的環流,而且不會出現各支路分配電流不一致引起的SOC、溫升、壽命不同步的問題。
但是對於容量較大的ESS系統可能出現如下方式3:Module並聯後再串聯和方式4:Module串聯後再並聯的情況。因此有必要思考既然方式1有這麼多優點為什麼還需要採用其他的集成方式呢。首先在實際產品中電池模塊受到體積上的制約,生產設備約束、易維修程度考量等方面都使得電池無法做到無窮盡的並聯。其次從通用性方面考慮基於標準化箱體的配置組合開發較定製開發而言在可靠性、開發周期、開發效率上都有著顯著的優勢。並且在某些領域應用時要求支持跛行模式(即使部分電池模塊無法工作也必須確保ESS滿足一定的工作條件),此時就需要採用多支路的ESS集成架構。
2.並聯的動力電池系統案例
目前國外龐巴迪在軌道列車的應急牽引系統中採用了系統級的並聯,日本湯淺也有類似的方案。國內BYD K9公交車採用了三組200Ah/540V的電池系統進行了並聯,組成了324kwh/600Ah的ESS系統。
CATL不同於BYD不自己開發電動車,面對眾多商用車企業推出了可配置的標準箱體,用戶可根據需求對標準箱進行配置組合;而該配置方案支持兩支路的箱體並聯。
不僅是商用車,目前已經有部分高容量乘用車ESS採用VDA標準模塊通過方式3:Module先並聯再串聯的方式集成,比如馬上要量產的ES8。從電池管理的架構上看ES8的Module並聯和CATL的兩支路方案除了LECU的數量翻了一倍以外並沒有其他太大的變化。而BYD K9可能採用三支路獨立的拓撲架構(由於未進行拆解,並不確定k9採用了該方案)則需要三級BMS管理架構,支持在某一支路故障的情況下進行跛行運行。
3.電池系統並聯需要應對的問題
首先並聯的電池系統對電池的一致性提出了更高的要求,對於串聯的電池一般主要強調容量的一致,畢竟同一迴路的電流相等,各個電池之間可以始終保持相近的核電態,因此壽命的衰減也可以較為同步。而並聯的電池系統對電池內阻的一致性有更高的要求,並且是在整個放電或充電SOC曲線上皆要保持一致,否則出現的現象就會是在放電的初期支路A的內阻小則分配到了更多的電流,SOC迅速下降,當支路A快放空時內阻超過了另一支路,另一支路再拼命追趕支路A;由於工況始終不同步,電池溫升也不同,各支路之間的差異也越來越大,形成了惡性循環。
其次,即便是決定採用電池系統並聯也有很多種可行方案,是採用方案3還是方案4,是採用2支路還是3支路。因此需要通過串並聯可靠性分析技術進行定量的分析(下一篇具體展開)。
最後,如果採用三級的電池管理架構對整個控制策略將提出不小的挑戰。一方面若要實現跛行模式該如何進行,更複雜的是一旦跛行模式造成了各個支路的SOC不一致該如何有效的恢復,等等一系列問題需要考慮。
由於作者能力有限,本文寫得還是不夠全面,僅提了一些自己的想法。關於電池系統並聯的問題希望和大家一起來討論、補充完善。
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