電池平衡範例：進階類型、演算法與優化架構

核心概念

電池平衡是電池管理系統中不可或缺的一部分，它可以透過各種演算法和優化技術來提高電池組的效能、壽命和安全性。

摘要

電池平衡範例：進階類型、演算法與優化架構

這篇研究論文探討了電池平衡在電池管理系統 (BMS) 中的重要性，特別關注電動車和電網儲能應用。文章強調了電池單體不平衡的成因，並深入探討了各種電池平衡技術、演算法和優化策略。

電池不平衡的影響

電池單體不平衡會導致電池組容量、壽命和安全性下降。造成電池單體不平衡的因素包括：

• 溫度變化： 電池組內溫度不均勻會導致單體性能差異。
• 老化效應： 隨著時間推移，電池單體會經歷容量衰減和內阻增加，導致不平衡。
• 製造差異： 電池單體在製造過程中存在細微差異，也會導致性能差異。

電池平衡技術

電池平衡技術旨在均衡電池組中各單體的電壓或充電狀態 (SoC)，主要分為兩類：

• 被動平衡： 這種技術利用分流電阻來耗散電壓較高單體的多餘電荷，實現平衡。被動平衡簡單、成本低，但效率較低，且會產生熱能損耗。
• 主動平衡： 這種技術利用電容器、變壓器或轉換器將電荷從電壓較高的單體轉移到電壓較低的單體，實現平衡。主動平衡速度快、效率高，但電路設計更複雜，成本也更高。

電池平衡演算法

電池平衡演算法決定了何時以及如何執行平衡操作，以確保電池組保持平衡狀態。這些演算法基於不同的控制變數，例如 SoC、電壓或容量。

• 基於 SoC 的平衡： 這種演算法根據電池單體的 SoC 值來觸發平衡操作。它需要準確估計 SoC，這本身就是一個複雜的過程。
• 基於電壓的平衡： 這種演算法根據電池單體的電壓差來觸發平衡操作。它易於實現，但容易受到溫度和內阻等因素的影響。
• 基於電壓-SoC 的平衡： 這種演算法結合了電壓和 SoC 信息，以提高平衡精度。它比單獨基於 SoC 或電壓的演算法更準確，但仍然容易受到測量誤差的影響。

優化電池平衡

為了提高電池平衡的效率和有效性，可以使用各種優化技術。這些技術旨在：

• 最小化平衡時間： 縮短電池組達到平衡狀態所需的時間。
• 降低能量損耗： 減少平衡過程中產生的熱能損耗。
• 延長電池壽命： 通過優化平衡策略來延長電池組的使用壽命。

電池平衡的未來方向

隨著電動車和電網儲能應用的快速發展，電池平衡技術面臨著新的挑戰和機遇。未來的研究方向包括：

• 開發更高效、更精確的電池平衡演算法。
• 探索新的電池平衡技術，例如無線平衡和分佈式平衡。
• 將電池平衡與其他 BMS 功能（例如 SoC 估計和熱管理）集成。

總之，電池平衡是 BMS 中不可或缺的一部分，它可以透過各種演算法和優化技術來提高電池組的效能、壽命和安全性。隨著電池技術的不斷發展，電池平衡技術也將不斷進步，以滿足不斷增長的應用需求。

統計資料

內阻差異最高可達 15%。
使用平均電流可以將溫度差異消除時間縮短多達 35%。
自適應魯棒 UKF 和 SVSF-VBL 的平均絕對誤差分別小於或等於 3.38% 和 3.69%。

引述

從以下內容提煉的關鍵洞見

Cell Balancing Paradigms: Advanced Types, Algorithms, and Optimization Frameworks

by Anup... 於 arxiv.org 11-11-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.05478.pdf

深入探究

未來有哪些新興的電池技術可能會影響電池平衡的需求和方法？

未來有幾種新興的電池技術可能會影響電池平衡的需求和方法：

固態電池： 固態電池使用固態電解質代替傳統鋰離子電池中的液態電解質。這項技術有望提高能量密度和安全性，但也可能帶來新的電池平衡挑戰。由於固態電解質的離子電導率通常低於液態電解質，因此在充電和放電過程中，電池內部更容易出現電壓不平衡。此外，固態電池對溫度變化也更敏感，這也可能加劇電池不平衡問題。因此，需要開發新的電池平衡算法和策略，以應對固態電池的獨特挑戰。

鋰硫電池： 鋰硫電池具有比鋰離子電池更高的理論能量密度，但它們也面臨著一些技術挑戰，包括循環壽命短和自放電率高。這些問題都可能導致電池不平衡。例如，循環壽命短意味著電池在有限的循環次數後容量會下降，而自放電率高則會導致電池在閒置時更快地失去電量。這些因素都會導致電池組中不同電池之間的電壓和容量差異，從而影響電池組的整體性能和壽命。

多價離子電池： 多價離子電池，例如鎂離子電池和鋁離子電池，正在作為鋰離子電池的潛在替代品進行研究。這些電池使用能夠攜帶多個電荷的離子，這有可能提高能量密度。然而，多價離子電池的發展仍處於早期階段，其電化學特性尚待充分了解。因此，需要進行更多的研究來開發適用於這些新電池化學的電池平衡技術。

無線電池平衡： 無線電池平衡技術允許在不需要物理連接的情況下平衡電池組中的電池。這項技術有望簡化電池管理系統的設計，並提高電池組的可靠性。然而，無線電池平衡也面臨著一些挑戰，例如能量傳輸效率和電磁干擾。

總之，新興的電池技術正在推動電池性能的提升，但也帶來了新的電池平衡挑戰。為了確保這些新電池技術的可靠性和壽命，需要開發創新的電池平衡算法、策略和硬件。

如何在資源受限的應用中（例如穿戴式設備）實現高效的電池平衡？

在資源受限的應用中，例如穿戴式設備，實現高效的電池平衡需要考慮以下幾個方面：

低功耗電池平衡電路： 穿戴式設備通常使用容量較小的電池，因此電池平衡電路必須具有極低的功耗，以避免過度消耗電池能量。可以使用低功耗運算放大器、比較器和開關來設計電池平衡電路。此外，可以採用間歇性電池平衡策略，即僅在電池電壓差異超過預設閾值時才啟用電池平衡電路，以進一步降低功耗。

簡化的電池平衡算法： 複雜的電池平衡算法需要較高的計算能力和存儲空間，這對於資源受限的穿戴式設備來說是不切實際的。因此，需要開發簡化的電池平衡算法，例如基於電壓閾值的算法或基於電荷轉移的算法。這些算法的計算量較小，可以有效地降低電池管理系統的負擔。

能量收集技術： 將能量收集技術，例如太陽能和動能收集，集成到穿戴式設備中，可以為電池平衡電路提供額外的能量來源。這可以減少電池平衡電路對電池本身的依賴，從而延長設備的電池壽命。

低功耗 SoC 估計方法： SoC 估計是電池平衡的關鍵部分，但傳統的 SoC 估計方法通常需要較高的計算能力。在資源受限的應用中，可以使用簡化的 SoC 估計方法，例如基於開路電壓 (OCV) 的方法或基於庫侖計數的方法。這些方法的計算量較小，可以滿足穿戴式設備的實時性和低功耗要求。

總之，在資源受限的應用中實現高效的電池平衡需要在硬件和軟件方面進行優化。通過採用低功耗電路、簡化算法和能量收集技術，可以有效地平衡電池組，延長設備的電池壽命，並提高設備的可靠性。

電池平衡技術的進步如何促進更安全、更可持續的能源解決方案的發展？

電池平衡技術的進步在促進更安全、更可持續的能源解決方案方面發揮著至關重要的作用：
1. 提高安全性：

防止過充和過放： 電池平衡技術通過確保電池組中所有電池都保持在安全的電壓範圍內，防止出現過充和過放的情況，從而降低了電池起火或爆炸的風險。
減輕熱失控： 電池不平衡會導致某些電池承受更大的電流負載，從而產生更多熱量。電池平衡技術可以均衡電池組中的溫度分佈，降低熱失控的風險。
2. 延長電池壽命：

減少電池退化： 電池不平衡會導致某些電池過度充電或過度放電，從而加速電池退化。電池平衡技術可以最大限度地減少這種不平衡，延長電池的使用壽命。
提高電池利用率： 電池平衡技術可以讓電池管理系統更準確地估計電池組的可用容量，從而提高電池的利用率。
3. 推動可持續發展：

減少資源消耗： 通過延長電池的使用壽命，電池平衡技術可以減少對電池生產和回收的需求，從而減少資源消耗和環境污染。
促進可再生能源的應用： 電池是儲存太陽能和風能等可再生能源的關鍵組成部分。電池平衡技術可以提高電池儲能系統的可靠性和壽命，促進可再生能源的廣泛應用。
4. 應用領域的擴展：

電動汽車： 電池平衡技術對於電動汽車的續航里程、安全性和壽命至關重要。
儲能系統： 電池平衡技術可以提高電網規模儲能系統的效率和可靠性，促進可再生能源的整合。
便攜式電子設備： 電池平衡技術可以延長智能手機、筆記本電腦和平板電腦等便攜式電子設備的電池續航時間。
總之，電池平衡技術的進步對於構建更安全、更可持續的能源解決方案至關重要。通過提高電池的安全性、壽命和性能，電池平衡技術正在推動電動汽車、儲能系統和便攜式電子設備等領域的快速發展，為我們創造一個更加清潔和可持續的未來。