兩輪車換電鋰電池組主動均衡延壽的研究與應用

朱海鵬

（福建省福芯電子科技有限公司，福建 福州 350101）

在“碳達峰，碳中和”的總戰略中，能源電子產業是我國創新領域的一個主要賽道。鋰離子電池因具有高能量與功率密度等優勢而被廣泛應用于各個領域。在即時配送用電動兩輪車換電領域，具有更高強度應用需求的鋰離子電池已成為主力。電池單體多以串、并聯成組形式使用，然而，各電池單體在制造和運行過程中存在不可避免的差異，所產生的“木桶效應”縮短了電池組使用壽命[1]。換電運營商為了滿足市場需求，只能不斷投入新電池，增加了電池庫存與運營成本。

上述問題的常規解決方案有2種：1）對電池重新進行分容重組。該方案成本高且有隱藏燃爆風險，需要符合工信部白名單的企業才能實施[2]。2）使用均衡儀器對各電芯進行均衡。該方法也不能根本解決電阻差異。該文提出了對電動兩輪車換電鋰電池組加裝主動均衡裝置進行延壽的方法，相當于在電池組中增加了一個隨著電池的均衡儀，為只是由電阻差異而非化學物質枯竭導致續航里程與壽命異常的電池組提供了一種有效、可靠的方式，以此來保證其循環次數與使用壽命。

1 主動均衡裝置原理

“亞洲電動汽車之父”陳清泉院士曾說過“沒有電池管理的電池包就是一枚炸彈”。為解決電池組不一致性問題，電池均衡技術應運而生。電池均衡的本質是減少電池組各電池單體能量的差異，從而使電池組保持較高的一致性。作為電池管理系統的關鍵一環，該技術在預防電池過充過放、確保電池組可用容量及其安全運行、延長使用壽命、優化使用方案以及節約成本等方面具有重要意義。

1.1 多繞組變壓器一體同步主動均衡裝置原理

均衡技術可以分為被動均衡和主動均衡2類[1]。被動均衡是一種能量耗散式均衡，其能量使用效率低、均衡電流小，在目前的兩輪車電池組使用中如隔靴搔癢。主動均衡是一種非能量耗散式均衡，其原理是以電容或電感等儲能元件的方式將能量高的電芯內的能量轉移到能量低的電芯中去。優點是能量損耗較小、散熱低和效率高，缺點是成本高、拓撲結構復雜，復雜的結構提高了成本與故障率。

該文采用的主動均衡裝置基于“多繞組變壓器的均衡拓撲”，為在低復雜度的情況下實現快速均衡和高均衡效率，采用文獻[3]設計的一種利用多繞組變壓器一體同步的雙向有源均衡方法。該方案允許通過正激或反激變換，將能量直接從最高能量電池傳輸到最低能量電池，為能量轉移提供了一個較短的路徑，通過多路同步均衡，來提供均衡速度。其設計的變壓器不再區分原邊與副邊繞組，所有繞組具有相同的匝數、同名端、公共端和共用磁芯。n節串聯電池組使用2n個繞組，多節電池并聯的繞組電感量一致性高，提高了電壓均衡精度。采用該方案的變壓器均衡4節串聯電池組的電路原理圖如圖1所示，包括4節串聯的鋰電池（B1～B4），8個繞制匝數相同的繞組（L11、L12、L21、L22、L31、L32、L41以及L42），8個MOSFET開關（S11、S12、S21、S22、S31、S32、S41以及S42）以及一個磁芯，該磁芯為所有繞組共用。每2個繞組組成一對，分別與開關串聯后，并聯至一節電池上。

圖1 多繞組變壓器一體同步雙向均衡拓撲

同時采用文獻[3]提出的變壓器繞制方法，選擇合適的非晶納米晶磁芯，并設計適配的“日”形框架結構，如圖2所示，使作為儲能介質且結構復雜的變壓器占用體積較小，為整體主動均衡裝置能隨電池組使用奠定基礎。

圖2 同步線圈的“日”形結構件

基于上述文獻與拓撲，文獻[4]設計了一種可級聯及并聯使用的鋰電池組均衡保護模組，該裝置即該文使用的“多繞組變壓器一體同步主動均衡裝置”，將大部分控制電路集成在專用IC內部，精簡了外圍電路，同時定制化設計了專用MOS管，可吸收返峰電流，在縮小空間的同時也能降低成本并提升均衡性能。該模組主要包括電路接口與均衡保護電路，如圖3所示。其中電路接口分為3組并與均衡保護電路相連接。均衡保護電路包括主控單元（MCU）、溫度采樣電路（TEMP）、電壓檢測電路（VOL）、電流采樣電路（CUR）、通信電路（COM）、磁通耦合電路以及能量傳遞電路。基于該裝置，文獻[5]進一步設計了“一種可擴展的電池均衡保護電路”。

圖3 電池均衡保護裝置功能示意圖

1.2 多繞組變壓器一體同步主動均衡裝置特性測試

針對三元鋰及磷酸鐵鋰電池組，對該文裝置進行電性測試驗證，電池壓差可控制在10mV以內。不同于被動均衡只能充電時均衡，該文裝置在充電/放電/靜止狀態下檢測到電池壓差大于設定值時，可自動啟動均衡工作。采用16串16Ah磷酸鐵鋰電池實測其最大均衡電流，可達5A，并且電池間壓差越大，均衡電流越大，如圖4所示。同時，實測可知該文裝置具有溫度保護、過流保護、欠壓保護和自動休眠功能，初步計算均衡效率可達97%。實裝尺寸約70mm×64mm×19mm，質量約120g，體積小巧且散熱好。根據上述特性測試可知，理論上該主動均衡裝置可在換電電池組內部使用，能有效解決電池單體均衡的問題，并能確保電能系統正常工作，滿足其“安全性、持久性和可靠性”的需求。

圖4 電池組最大壓差ΔV與均衡電流I曲線（16S-16Ah示例）

2 換電鋰電池組延壽的實用驗證

2.1 驗證用換電電池增裝方式

選取某換電運營商福州倉庫舊電池組進行電池組實裝均衡裝置驗證。庫存電池組為換電用電池組，多用于即時配送等高強度應用場景，使用環境為福建坑洼、多雨、陡峭區域。電池組規格有48V/25Ah與60V/20Ah共2種規格，分別對應16串與20串電池組。電池組距生產年限多在1～2年，經過多次充、放電，內部電解液枯竭，化學物質活性降低，電池內阻均有不同程度升高，相關電芯間內阻差異較大，導致電池組各串電池電壓壓差變大，電池組容量縮水，影響續航里程與壽命。當壓差大于500mV時會出現起步斷電和充電、使用時間短的現象。從倉庫中選取部分舊電池進行增裝主動均衡裝置的負載放電驗證與路跑對比驗證。

增裝主動均衡模組的步驟如下：1）初容量檢測。對上位機監控系統篩選出的具有壓差的電池，使用負載放電進行電池容量計算。2）連接電芯。使用定制的電池轉接線或直接焊接，使均衡模組連接電池電芯。3）確認極性。防止錯誤連接線極性導致燒板。4）連接BMS。使用轉接線連接模組與電池BMS，從通信口讀取BMS數據，確認連接情況。5）使用轉接線連接均衡模組，確認均衡模組工作指示正常。6）固定安裝。將均衡模組固定在電池內部的合適位置，使用輔材確保電池使用過程中不會脫線、擠壓和晃動。

2.2 增裝主動均衡裝置負載放電驗證

對樣品一進行電池容量提升的負載放電驗證。增裝主動均衡裝置后，在實驗室（室溫25℃）使用8Ω水泥電阻進行2.5A（0.1CC）直流充、放電。樣品一充放電5次循環試驗如圖5所示，可見樣品一電池容量經過5次循環后，由最初的69.04%提升至90.02%，提升效果明顯。

圖5 樣品一充放電5次循環試驗

2.3 增裝主動均衡路跑放電驗證

對樣品二、樣品三進行路跑里程提升驗證，并和正常運營電池進行比較。試驗在2022年12月進行，試驗時外部氣溫約為8℃～15℃，試驗用兩輪電動車為一輛六成新騎手外賣專用車，騎乘人員體重88kg，路跑區域主要為福州市區。

對樣品二、樣品三增裝主動均衡模組后，經3次充滿電并路跑至斷電，樣品二增程7km～45.9km，樣品三增程13km～45.3km，如圖6所示。與對照組電池行程相當（對照組電池行程為44km）。該試驗測算1Ah行程為2.55km，屬于正常范圍（正常范圍約為1Ah 2km～3km）。

圖6 試驗樣品路跑對比數據

根據上述試驗可知，增裝主動均衡裝置后，電池單體的容量及其對應里程得到了有效提升。后續經擴大驗證可知，所選電池增裝主動均衡裝置后經過3～5次充放電循環，均有不同程度的容量恢復，多數可提升至標稱容量的80%以上，容量恢復效果顯著。

3 結論

對電動兩輪車共享鋰電池組增裝多繞組變壓器一體同步主動均衡裝置，能以更節能、環保的方式充分利用電池的有效設計容量，最大化利用電池的效能，延長電池使用壽命，降低投入成本，緩解電池庫存壓力。根據試驗可知，增裝主動均衡模組可以延長電動兩輪車共享鋰電池組壽命，理論上可使舊電池的利用達到理論循環次數，實際中視使用頻率和電池化學特性有所差異。試驗證明，增裝主動均衡模組并經過3～5次充放電循環后，舊電池組的容量得到顯著提升，驗證可達標稱容量的80%以上，顯著延長了電池組的工作時間。

不過變壓器式主動均衡也存在使用局限。基于電池壓差均衡的原理，壓差越大，均衡電流越大，1V壓差對應約5A均衡電流，對5度電以內的電池組來說是很高的均衡效率，但是在更大容量（如汽車動力）電池方面的應用還略顯局限。換電電池多數為1度～3度電，使用該方式是可靠且有效的。按某換電運營商部分庫存電池樣本統計，約70%的電池組可進行增裝使用。隨著庫存電池存放越久，相關化學反應持續發生不可逆變化，越早進行篩選增裝，可越早發揮庫存電池價值，降低庫存電池壓力。電池的均衡可隨著電池全生命周期，增裝主動均衡可有效延長庫存電池使用壽命已經得到驗證，可進一步考慮在新電池上加裝主動均衡模組，以便在電池組使用生命周期開始就完全發揮電池效力，排除不均衡問題。