純電動汽車動力電池均衡技術分析

2021-03-11 02:48:22山東焦建剛

汽車維修與保養 2021年11期

◆文/山東焦建剛

純電動汽車所采用的動力電池組是由多個單體電池組成的。在目前的電池制造技術水平下，純電動汽車的蓄電池雖然是同一型號、同一規格，但各蓄電池的電壓、內阻及容量等參數存在差別。單體之間的性能差異在蓄電池整個生命周期里不可避免的存在，組合成多節串聯電池組后，在充放電過程中的不一致會導致單體電池由于過充、過放而提前失效。這不僅縮短了動力電池的使用壽命，而且會因為單體電池的內阻增大和有效活性物質減少而使動力電池充放電能量轉換效率下降和輸出功率降低，并導致電動汽車的動力學下降。

一、動力電池不均衡原因及現象

有些使用鎳鈷錳、鎳鈷鋁或其他類型動力電池（電芯）的車輛，電池包里會有數百甚至數千節電池。這些電池會采用“串并”的方式組合，串聯升高電壓、并聯擴大容量，因此在使用過程中就無法保證每節電池或某個模塊不出現電壓、容量、溫度的差異，這就會造成不均衡或不平衡趨勢的問題。

假設某幾個電芯或模塊出現容量的嚴重下降，電壓自然也會降低。充電的時候這些電池就會先充滿，而控制單元在檢測到這些電池充滿之后就會停止充電，但此時其他電池還沒有充滿，然而也是不得不停止充電（圖1）。這就導致電池組總也充不滿，續航里程當然會受到影響。在用車過程中可能出現“跳電”的情況，比如SOC-40%行駛中，正常駕駛忽然出現從40%降低到20%，這兩成的電量可能只能行駛幾百米，但在40%～60%區間卻可以行駛幾十千米，電池組的問題就很嚴重了，此時就需要進行均衡充電。

圖1 動力電池包無法充滿示意圖

電動汽車充電時候，SOC計算是按照最高單體電壓計算的；放電時候SOC按照最低單體電壓計算。而電池包由多個電芯串聯而成，充電狀態下，最高單體電壓達到充電截止電壓時，最低單體電壓未必達到滿充截止點，這就導致整包實際充不滿。因此需要通過主動/被動均衡，把最高電壓單體的電量轉移出去（均衡放電），同時對最低電壓單體額外進行充電（均衡充電），這就是充電過程中的均衡操作（圖2）。

圖2 動力電池包電量無法完全使用示意圖

二、動力電池均衡技術

動力電池均衡技術的意義就是利用電子技術，使鋰離子電池單體電壓偏差保持在預期的范圍內，從而保證每個單體電池在正常的使用時不發生損壞。若不進行均衡控制，隨著充放電循環的增加，各單體電池電壓逐漸分化，使用壽命將大大縮減。

電池均衡一般分為主動均衡、被動均衡兩種。

1.被動均衡

被動均衡，指的是在充電過程中，運用電阻器，將高電壓或者高荷電量電芯的能量消耗掉，以達到減小不同電芯之間差距的目的，是一種能量的消耗。當各單體電池電壓接近一致時，繼續進行充電。此過程一直重復進行，直到各單體電池電壓接近一致（圖3）。

圖3 電池管理系統均衡管理功能展示——被動均衡

2.主動均衡

主動均衡，運用儲能器件等，將荷載較多能量的電芯部分能量轉移到能量較少的電芯上去，是能量的轉移。均衡充電時，電容通過其控制開關交替與相鄰兩個電池連接，接受電壓高電池的充電，并向電壓低的電池放電，直到兩個蓄電池的電壓趨于一致（圖4）。

三、動力電池組均衡維護儀的使用

1.動力電池組均衡維護儀

圖4 電池管理系統均衡管理功能展示——主動均衡

目前，部分電動汽車的BMS管理系統設計有電池均衡功能，但由于系統的復雜性以及成本控制限制，并沒有在所有的電動汽車上面得到普及，因此，實際使用中的電動汽車在使用一定時間后，會面臨著動力電池由于單體電池性能下降所導致的容量降低，續航里程下降嚴重的問題，為了解決這種問題，當電動汽車行駛到一定里程后，就必須采用專業的電池組均衡維護儀（圖5）進行電池的均衡作業，以使動力電池性能恢復到正常范圍。