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《能量轉移---動力電池的終極均衡方法?》

本人現(xiàn)從事電動汽車(大巴)的相關工作.目前困擾電動車界的最大的問題就是電池問題,而電池問題的最大的問題,就是電池均衡問題------ 動力電池往往都是由數(shù)量龐大的電池組合而成,電池組的有效容量只取決于最差一個電池的荷電容量,電池嚴格配組、選擇一致性的電池是目前解決電池均衡性的第一個手段,但即便初始參數(shù)完全一致,在以后的使用中,都會因內部因數(shù)(工藝、材料的質和量)和外部因數(shù)(工作溫度、導線及連接電阻、成組的充放電均衡性差異等)的逐漸或者累積性產生電池荷電量(表現(xiàn)容量的差異),而產生落后電池.

解決電池均衡性的第二個方法問題,是進行充放電管理.成組充電時最常見的方法,就是充電末期采用小電流均充.我在汕頭電動車測試中心,還見到了一個充電器列陣,先以大電流對串聯(lián)的電池進行常規(guī)充電,當有電池“沖線”(達到上限電壓)時停止,改用小充電機列陣對電池進行一對一補充電,直到達到電壓均衡. 根據(jù)介紹,效果相當明顯.

放電的管理,也無非是限制放電截止電壓,避免電池過放對電池的損害,并不能根本解決容量不均衡問題.

如果電池組中電池的容量出現(xiàn)比較大差異,則任你怎么均衡充電,“落后”電池總是比人先到達放電截止點、能放出的電量永遠比其他電池“落后”.


我突發(fā)奇想,如果能將富余的電量從荷電量比較高的電池轉移到荷電量比較低的電池,也就是你把12V/120Ah和12V/60Ah串聯(lián)使用,最后也能放出(12X120+12X60)VAh的能量來.這是否是一個最終解決方案?


電池的問題實際上不單單就是單純的電池問題,電池的問題應該是設計電池開發(fā)、生產、充電及放電管理的一個系統(tǒng)工程.希望大家多提意見!!



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azhu
LV.8
2
2006-07-22 08:19
好貼子,關注中!
如果加上能量轉移式的放電均衡功能,就可以解決容量不平衡的電池串聯(lián)問題.這種均衡的難度較高,但并非沒有實現(xiàn)的可能.
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2006-07-22 22:51
@azhu
好貼子,關注中!如果加上能量轉移式的放電均衡功能,就可以解決容量不平衡的電池串聯(lián)問題.這種均衡的難度較高,但并非沒有實現(xiàn)的可能.
請大家多給建議和意見~~~ ~~~~

這個想法,靈感來源于某個自動充電均衡系統(tǒng)的思路:在充電末期,使用電容和開關---(未說容量,我想應該很大,超級電容?沖擊電流也很大,開關不好弄,不會推薦IGBT吧?)將電荷從電壓高的電池轉移到電壓低的電池而實現(xiàn)均衡充電,但其實電池在充電末期的接受能力很差,電容捎過去的大電流怕是消化不良,我想,為何不倒過來,在電池深度DOD時進行高效電荷均衡?很餓的電池可是來多少吃多少的哦:)

目前我的方法是,電池組連接DC/DC+charger(多路/隔離)、在車輛使用過程、個別電池達到11.0V左右時,電路工作開始對電壓落后電池進行補電.對電壓(或者容量)落后電池,雖然同時要對DC/DC付出,但接納的肯定比付出的多得多,其實這就是一種“能量轉移”,從而讓落后電池能“堅持下去”…….目前實現(xiàn)的方案我還沒啥好辦法,只是對已知容量落后電池采用預置線路的方法,讓這些“比較落后”的電池不再拖后腿,最后成組電池的放電深度將趨向一致,大大提高了電池組實際續(xù)航里程,更有效地保護了落后電池.

還有沒有別的方法?或者面對電池個數(shù)龐大的電池組,如何實現(xiàn)自動補電均衡?成本控制?
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jimkpc
LV.5
4
2006-07-23 22:13
@e弦知音
請大家多給建議和意見~~~~~~~這個想法,靈感來源于某個自動充電均衡系統(tǒng)的思路:在充電末期,使用電容和開關---(未說容量,我想應該很大,超級電容?沖擊電流也很大,開關不好弄,不會推薦IGBT吧?)將電荷從電壓高的電池轉移到電壓低的電池而實現(xiàn)均衡充電,但其實電池在充電末期的接受能力很差,電容捎過去的大電流怕是消化不良,我想,為何不倒過來,在電池深度DOD時進行高效電荷均衡?很餓的電池可是來多少吃多少的哦:)目前我的方法是,電池組連接DC/DC+charger(多路/隔離)、在車輛使用過程、個別電池達到11.0V左右時,電路工作開始對電壓落后電池進行補電.對電壓(或者容量)落后電池,雖然同時要對DC/DC付出,但接納的肯定比付出的多得多,其實這就是一種“能量轉移”,從而讓落后電池能“堅持下去”…….目前實現(xiàn)的方案我還沒啥好辦法,只是對已知容量落后電池采用預置線路的方法,讓這些“比較落后”的電池不再拖后腿,最后成組電池的放電深度將趨向一致,大大提高了電池組實際續(xù)航里程,更有效地保護了落后電池.還有沒有別的方法?或者面對電池個數(shù)龐大的電池組,如何實現(xiàn)自動補電均衡?成本控制?
好貼,關注中.
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劍心
LV.8
5
2006-07-24 15:16
直接升壓之后向干線供電還會簡單一些
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zzmws
LV.5
6
2006-07-24 16:25
呵呵!這個問題值得考慮,請看看以下這篇文章(不知為何,我沒法傳文件)
http://www.americansolarchallenge.org/tech/resources/SAE_2001-01-0959.pdf
作為電容能量轉移,如果電容大的話,太貴了,如果電容小,就要求電
池不一致性不能太差,而且要求在充電早期甚至充電前(放電甚至是擱
置轉臺下)就開始平衡,或者就是提高開關的開關頻率.但提高開關的
開關頻率將使得在放電或者擱置狀態(tài)下電池的能量轉移毫無意義.
另外一點就是,任何能量轉移都不是100%效率的,所以根本沒有可能做
到120+60Ah=90Ah*2的.

歡迎拍磚
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2006-07-25 16:48
我認為換落后電池比你的方案要省錢.
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zzmws
LV.5
8
2006-07-26 14:09
@zhgzh19750811
我認為換落后電池比你的方案要省錢.
要看什么電池咯!
鉛酸電池的話確實便宜!
鋰離子電池呢?
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2006-07-30 21:35
@zzmws
呵呵!這個問題值得考慮,請看看以下這篇文章(不知為何,我沒法傳文件)http://www.americansolarchallenge.org/tech/resources/SAE_2001-01-0959.pdf作為電容能量轉移,如果電容大的話,太貴了,如果電容小,就要求電池不一致性不能太差,而且要求在充電早期甚至充電前(放電甚至是擱置轉臺下)就開始平衡,或者就是提高開關的開關頻率.但提高開關的開關頻率將使得在放電或者擱置狀態(tài)下電池的能量轉移毫無意義.另外一點就是,任何能量轉移都不是100%效率的,所以根本沒有可能做到120+60Ah=90Ah*2的.歡迎拍磚
我的靈感就是來自這里:)很久以前看過,當時覺得是紙上談兵:電容和電力器件成本可能超出實際產品承受范圍,所以只留下一個印象,細節(jié)出處都忘記了:)

需說明,任何能量轉移都客觀存在轉換效率問題,所以“120Ah+60Ah==90AhX2”實際只是我對“能量轉移”方法效果的一種簡單表述,顯然這絕不是該命題要討論和欲達到的效果和目的.也許我把“等于”寫成“類似等效于”一類更好一些:)

如前所說,這里希望找出一種主動或比較徹底地解決電池荷電及容量差異導致的電池組容量指標不理想的方法,電池組各種均衡充電、包括電池組分解后獨立均衡充電、更換落后電池都是現(xiàn)行的方法,但都不是理想的方法.
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zzmws
LV.5
10
2006-07-31 15:14
@e弦知音
我的靈感就是來自這里:)很久以前看過,當時覺得是紙上談兵:電容和電力器件成本可能超出實際產品承受范圍,所以只留下一個印象,細節(jié)出處都忘記了:)需說明,任何能量轉移都客觀存在轉換效率問題,所以“120Ah+60Ah==90AhX2”實際只是我對“能量轉移”方法效果的一種簡單表述,顯然這絕不是該命題要討論和欲達到的效果和目的.也許我把“等于”寫成“類似等效于”一類更好一些:)如前所說,這里希望找出一種主動或比較徹底地解決電池荷電及容量差異導致的電池組容量指標不理想的方法,電池組各種均衡充電、包括電池組分解后獨立均衡充電、更換落后電池都是現(xiàn)行的方法,但都不是理想的方法.
呵呵!其實這個實現(xiàn)起來比較容易!但是真正把各種方案都拿來對比,
加上測試,整個項目耗資較大.
加上目前許多IC廠家都比較急功近利,也比較保守.
最重要的是,由于這些東西都不是特別成熟,無法確認市場的具體需求
量,所以目前還沒有真正這樣做集成IC的.
用單片機做起來非常簡單,就是功耗有點大咯!
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azhu
LV.8
11
2006-08-01 11:04
@zzmws
呵呵!其實這個實現(xiàn)起來比較容易!但是真正把各種方案都拿來對比,加上測試,整個項目耗資較大.加上目前許多IC廠家都比較急功近利,也比較保守.最重要的是,由于這些東西都不是特別成熟,無法確認市場的具體需求量,所以目前還沒有真正這樣做集成IC的.用單片機做起來非常簡單,就是功耗有點大咯!
單片機也可以做到較低的功耗的.
可以做到小于300uA.
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zzmws
LV.5
12
2006-08-01 12:01
@azhu
單片機也可以做到較低的功耗的.可以做到小于300uA.
AZHU果然厲害!300uA!
我利用ATEMEGA16作個一個這樣的方案
1、使用單節(jié)IC做短路和過流保護
2、所有其他保護由單片機實現(xiàn)
3、使用內置8路10位ADC,測量四節(jié)電池電壓
4、使用內置PWM來做充電絹流控制
功能實現(xiàn)完全沒有問題,就是功耗忒大,在idle模式下達到900uA以上
所以.......

后來的改進是
1、從5V單片機改到3.3V;
2、基本工作頻率由32768降到10k左右
3、去掉脈沖充電功能
最后功耗還在600uA左右

現(xiàn)在有一個想法就是,平時單片機完全斷電,利用MOSFET電流放電來觸發(fā)開關做單片機硬啟動條件.不知道是否可行,敬請賜教!
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azhu
LV.8
13
2006-08-01 13:17
@zzmws
AZHU果然厲害!300uA!我利用ATEMEGA16作個一個這樣的方案1、使用單節(jié)IC做短路和過流保護2、所有其他保護由單片機實現(xiàn)3、使用內置8路10位ADC,測量四節(jié)電池電壓4、使用內置PWM來做充電絹流控制功能實現(xiàn)完全沒有問題,就是功耗忒大,在idle模式下達到900uA以上所以.......后來的改進是1、從5V單片機改到3.3V;2、基本工作頻率由32768降到10k左右3、去掉脈沖充電功能最后功耗還在600uA左右現(xiàn)在有一個想法就是,平時單片機完全斷電,利用MOSFET電流放電來觸發(fā)開關做單片機硬啟動條件.不知道是否可行,敬請賜教!
電源(從幾十V轉換為5V)自身耗電40uA,當靜止狀態(tài)(不充電也不放電),單片機在睡眠狀態(tài)電流小于100uA.在喚醒狀態(tài)下,工作電流為5mA,喚醒狀態(tài)下工作時間為5mS,休眠時間為1秒.其它電路耗電幾十uA.
一旦電池處于放電或充電狀態(tài)時,自動喚醒單片機,此時單片機始終工作,進行電量計量和相應狀態(tài)指示,一旦放電終止或充電完成,單片機又進入睡眠狀態(tài).
PIC單片機可以做到較低的功耗,也可以雙頻工作,另外,電源供電電路的低功耗很重要.
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zzmws
LV.5
14
2006-08-01 16:00
@azhu
電源(從幾十V轉換為5V)自身耗電40uA,當靜止狀態(tài)(不充電也不放電),單片機在睡眠狀態(tài)電流小于100uA.在喚醒狀態(tài)下,工作電流為5mA,喚醒狀態(tài)下工作時間為5mS,休眠時間為1秒.其它電路耗電幾十uA.一旦電池處于放電或充電狀態(tài)時,自動喚醒單片機,此時單片機始終工作,進行電量計量和相應狀態(tài)指示,一旦放電終止或充電完成,單片機又進入睡眠狀態(tài).PIC單片機可以做到較低的功耗,也可以雙頻工作,另外,電源供電電路的低功耗很重要.
謝謝指教!

可惜俺不靠這個生活,要不然可以整天找你學習的咯!

過兩年改行再說咯!:)
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e弦知音
LV.1
15
2006-08-02 15:22
@e弦知音
我的靈感就是來自這里:)很久以前看過,當時覺得是紙上談兵:電容和電力器件成本可能超出實際產品承受范圍,所以只留下一個印象,細節(jié)出處都忘記了:)需說明,任何能量轉移都客觀存在轉換效率問題,所以“120Ah+60Ah==90AhX2”實際只是我對“能量轉移”方法效果的一種簡單表述,顯然這絕不是該命題要討論和欲達到的效果和目的.也許我把“等于”寫成“類似等效于”一類更好一些:)如前所說,這里希望找出一種主動或比較徹底地解決電池荷電及容量差異導致的電池組容量指標不理想的方法,電池組各種均衡充電、包括電池組分解后獨立均衡充電、更換落后電池都是現(xiàn)行的方法,但都不是理想的方法.
電動汽車(而非小型便攜設備)而言能容忍一定的系統(tǒng)功耗(如果必要).電動汽車電池的最大問題是電池組大部分電池在放電后期“有電放不出”,因此,即便存在附加設備自身系統(tǒng)功耗和轉換效率的問題,把電能從賀電較富裕的電池轉移到荷電不足的電池,讓使用中的電池放電深度亦趨向平衡,以達到延長續(xù)航里程、保護電池的雙重功效,才是“能量轉移”的意義所在.
   目前我們車載電池管理系統(tǒng)(電壓、電流、溫度、終端顯示)的功耗為40W,轉向助力、打氣泵、冷卻、空調等系統(tǒng)的功耗達到百瓦級甚至千瓦級~~~~ 對總最大功率達到150Kw以上的電動汽車車而言,“必須”或者“劃算”的能耗該付出的還是要付出的,當然,提高系統(tǒng)效率,是下一步的話題.
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lyapunov
LV.3
16
2006-08-02 16:44
@e弦知音
電動汽車(而非小型便攜設備)而言能容忍一定的系統(tǒng)功耗(如果必要).電動汽車電池的最大問題是電池組大部分電池在放電后期“有電放不出”,因此,即便存在附加設備自身系統(tǒng)功耗和轉換效率的問題,把電能從賀電較富裕的電池轉移到荷電不足的電池,讓使用中的電池放電深度亦趨向平衡,以達到延長續(xù)航里程、保護電池的雙重功效,才是“能量轉移”的意義所在.  目前我們車載電池管理系統(tǒng)(電壓、電流、溫度、終端顯示)的功耗為40W,轉向助力、打氣泵、冷卻、空調等系統(tǒng)的功耗達到百瓦級甚至千瓦級~~~~對總最大功率達到150Kw以上的電動汽車車而言,“必須”或者“劃算”的能耗該付出的還是要付出的,當然,提高系統(tǒng)效率,是下一步的話題.
若能一定程度容忍均衡電路的功耗的話,那么實現(xiàn)你所描述的系統(tǒng)的難度應該降低很多了
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lyapunov
LV.3
17
2006-08-02 16:46
@azhu
電源(從幾十V轉換為5V)自身耗電40uA,當靜止狀態(tài)(不充電也不放電),單片機在睡眠狀態(tài)電流小于100uA.在喚醒狀態(tài)下,工作電流為5mA,喚醒狀態(tài)下工作時間為5mS,休眠時間為1秒.其它電路耗電幾十uA.一旦電池處于放電或充電狀態(tài)時,自動喚醒單片機,此時單片機始終工作,進行電量計量和相應狀態(tài)指示,一旦放電終止或充電完成,單片機又進入睡眠狀態(tài).PIC單片機可以做到較低的功耗,也可以雙頻工作,另外,電源供電電路的低功耗很重要.
要檢測電池是否處于充電狀態(tài)還是放電狀態(tài),必須要有測流電阻,那么這個測流電壓的放大器恐怕耗電也挺大的
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azhu
LV.8
18
2006-08-02 20:33
@lyapunov
要檢測電池是否處于充電狀態(tài)還是放電狀態(tài),必須要有測流電阻,那么這個測流電壓的放大器恐怕耗電也挺大的
這個運放的工作電流只有20uA.
如果有必要的話,我還有更低耗電流的運放可以選擇.
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lyapunov
LV.3
19
2006-08-03 13:32
@azhu
這個運放的工作電流只有20uA.如果有必要的話,我還有更低耗電流的運放可以選擇.
這個運放的價格估計應該挺高,有沒有便宜的運放介紹呢?
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lyapunov
LV.3
20
2006-08-03 13:35
@azhu
這個運放的工作電流只有20uA.如果有必要的話,我還有更低耗電流的運放可以選擇.
用運放把小信號進行放大,如何解決抗干擾的問題呢?尤其對于感性負載
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azhu
LV.8
21
2006-08-03 14:15
@lyapunov
這個運放的價格估計應該挺高,有沒有便宜的運放介紹呢?
象LM324這樣的運放,也要0.5元左右.
象TI公司的一些低功耗運放,價格在2元左右.
TI公司還有靜態(tài)功耗小于5uA的運放,如果還需要更小耗電的話,有的公司還有靜態(tài)功耗小于1uA的運放.
如果你一個電池賣到1000美元,乃至1萬美元時,你不是會在意一個運放是2元還是0.5元的,也不會去在意管理電路的成本是100元還是200元.我做過的電池,最貴的一個電池就賣到1萬美元.
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azhu
LV.8
22
2006-08-03 14:20
@lyapunov
用運放把小信號進行放大,如何解決抗干擾的問題呢?尤其對于感性負載
解決干擾,主要從三方面入手解決,一個是從源頭解決,另一個是從傳輸路徑解決,再一個是提高控制電路自身抑制干擾的能力.要對具體的應用場合,做具體的分析,再做綜合的處理.
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jeffxu
LV.1
23
2007-06-02 15:41
@e弦知音
電動汽車(而非小型便攜設備)而言能容忍一定的系統(tǒng)功耗(如果必要).電動汽車電池的最大問題是電池組大部分電池在放電后期“有電放不出”,因此,即便存在附加設備自身系統(tǒng)功耗和轉換效率的問題,把電能從賀電較富裕的電池轉移到荷電不足的電池,讓使用中的電池放電深度亦趨向平衡,以達到延長續(xù)航里程、保護電池的雙重功效,才是“能量轉移”的意義所在.  目前我們車載電池管理系統(tǒng)(電壓、電流、溫度、終端顯示)的功耗為40W,轉向助力、打氣泵、冷卻、空調等系統(tǒng)的功耗達到百瓦級甚至千瓦級~~~~對總最大功率達到150Kw以上的電動汽車車而言,“必須”或者“劃算”的能耗該付出的還是要付出的,當然,提高系統(tǒng)效率,是下一步的話題.
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