純電動汽車動力電池均衡技術(shù)分析

2021-03-11 02:48:22山東焦建剛

汽車維修與保養(yǎng) 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(shù)水平下，純電動汽車的蓄電池雖然是同一型號、同一規(guī)格，但各蓄電池的電壓、內(nèi)阻及容量等參數(shù)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(jié)串聯(lián)電池組后，在充放電過程中的不一致會導(dǎo)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(nèi)阻增大和有效活性物質(zhì)減少而使動力電池充放電能量轉(zhuǎn)換效率下降和輸出功率降低，并導(dǎo)致電動汽車的動力學(xué)下降。

一、動力電池不均衡原因及現(xiàn)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(shù)百甚至數(shù)千節(jié)電池。這些電池會采用“串并”的方式組合，串聯(lián)升高電壓、并聯(lián)擴(kuò)大容量，因此在使用過程中就無法保證每節(jié)電池或某個模塊不出現(xiàn)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(shè)某幾個電芯或模塊出現(xiàn)容量的嚴(yán)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(dǎo)致電池組總也充不滿，續(xù)航里程當(dāng)然會受到影響。在用車過程中可能出現(xiàn)“跳電”的情況，比如SOC-40%行駛中，正常駕駛忽然出現(xiàn)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(qū)間卻可以行駛幾十千米，電池組的問題就很嚴(yán)重了，此時就需要進(jìn)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(lián)而成，充電狀態(tài)下，最高單體電壓達(dá)到充電截止電壓時，最低單體電壓未必達(dá)到滿充截止點，這就導(dǎo)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(zhuǎn)移出去（均衡放電），同時對最低電壓單體額外進(jìn)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(shù)

動力電池均衡技術(shù)的意義就是利用電子技術(shù)，使鋰離子電池單體電壓偏差保持在預(yù)期的范圍內(nèi)，從而保證每個單體電池在正常的使用時不發(fā)生損壞。若不進(jìn)行均衡控制，隨著充放電循環(huán)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(dá)到減小不同電芯之間差距的目的，是一種能量的消耗。當(dāng)各單體電池電壓接近一致時，繼續(xù)進(jìn)行充電。此過程一直重復(fù)進(jìn)行，直到各單體電池電壓接近一致（圖3）。

圖3 電池管理系統(tǒng)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(zhuǎn)移到能量較少的電芯上去，是能量的轉(zhuǎn)移。均衡充電時，電容通過其控制開關(guān)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(hù)儀的使用

1.動力電池組均衡維護(hù)儀

圖4 電池管理系統(tǒng)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(tǒng)設(shè)計有電池均衡功能，但由于系統(tǒng)的復(fù)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(dǎo)致的容量降低，續(xù)航里程下降嚴(yán)重的問題，為了解決這種問題，當(dāng)電動汽車行駛到一定里程后，就必須采用專業(yè)的電池組均衡維護(hù)儀（圖5）進(jìn)行電池的均衡作業(yè)，以使動力電池性能恢復(fù)到正常范圍。