转移式电池均衡技术在电动汽车中的应用研究

刘宏南

(阜新高等专科学校，辽宁 阜新 123000)

0　引　言

在绿色生活理念下，人们需要从衣食住行等各个方面进行节能减排。对于出行的交通工具来说，除了自行车、公共交通设施等低碳环保出行方式外，还可以选择电动汽车。电动汽车摒弃了传统汽车的燃油废气排放，降低了空气的污染。而在电动汽车中，电池扮演着重要的角色——动力源泉。电池组是否能够供应电动汽车长途行驶，保障稳定状态，受电池的原材料、电池的制造工艺以及电池所处的客观环境影响。作为电动汽车中非常重要的一部分，如何保护电池，增加续航时间，是我们要考虑的问题。在汽车的构件组成中，除了汽车框架结构以及辅助设施外，最重要的是供能结构。普通汽车多采用燃油模式，但是在供能结构中仍然要配置一到两块铅酸蓄电池，在普通汽车中，电池的使用主要是为了汽车电气设备的运行以及汽车的启动。而对于电动汽车来说，顾名思义，需要电池作为供能主要来源，电动汽车中至少需要四块铅酸蓄电池甚至更多的电池，提供更大的电能储备。电动汽车所使用的电池要以串联的方式组合成电池组，在汽车行驶过程中共同作用，共同发电。电池的选择也是十分关键的，为什么不选择其他种类的电池，是因为一些电池的单体电压相对较低，比如常用的镍氢电池和锂电池。这两种电池如果要在电动汽车中投入使用，则会需要惊人的数量。将这些数量巨大的电池串联在一起则会加大电池组电压不均衡的问题，导致电池组的能效大大降低，影响电动汽车的实际运行。基于这些原因考虑，无论是以什么模式串联的电池组，在受外界条件影响的情况下，都有可能出现电池组电压不均衡的问题，而这也是电池保护工作中急需解决的问题。采用转移式电池均衡技术对供电电池组的电压进行有效调节，是一种主动均衡技术。转移式电池电压均衡技术能够将相邻的电池之间的电压差值降低到最小，大大提升了电池组电压的稳定程度，实现了科学延长电动汽车电池组使用寿命的目标。

1　电动汽车的发展状况

1.1　国内电动汽车的发展状况

绿色生活理念逐渐被人们所接受和推崇，而在工业生产行业，也在推行新能源的使用和对化石能源的节约。在汽车行业发展规划的新时期背景下，节能减排逐渐成为了各汽车企业所关注的问题，顺应节能号召的要求，以及对新能源发展的推进，国内许多汽车企业将目光聚集在使用新能源的电动汽车上。汽车企业不断推陈出新，研发出具有企业特色的混合动力车和纯电动汽车。可以说，这是国内汽车行业在新形势下的发展和突破，也将会成为整个汽车行业的发展趋势和前景。

但是虽然国内汽车销售量逐年增长，买车的人越来越多，但是对于电动汽车这种新型汽车，接受程度还远远不够，相关汽车企业的电动汽车销量在近几年都不算理想。连续几年电动汽车的销量都只能维持在七八千辆，年销量无法破万。但是2012年我国国务院下发的《2012 年～2020 年的新能源汽车产业发展规划》中明确指出，到2015年年底实现500 000辆电动汽车行驶在道路上，到2020年年底实现五百万辆电动汽车行驶在道路上。然而实际上，到去年年底我国电动汽车产业从2012年开始的电动汽车销量才不过几万台。但是，即便是销售情况不够乐观，我们也不能够放弃对汽车行业的这一改革模式。在2014年国家相关部门审批通过了《政府机关及公共机构购买新能源汽车实施方案》，这一方案是国家机关事务管理局、科技部、财政部、工业和信息化部以及国家发展和改革委员换共同定制。为了能够促进电动汽车行业的发展，突破当前的销售困难，国家相关部门通过此举支持了纯电动汽车，插电式混合动力汽车等新型电动汽车的发展。

电动汽车为什么会面临这样的发展困境？观察电动汽车的发展环境以及技术支持，发现制约和限制电动汽车发展的客观条件有很多，其中包括国家政策，汽车电池的充电时间，汽车企业的售后服务，电动汽车的价格，单次充电续航时间，充电的方便程度，电池循环使用寿命以及电池的续航里程等。然而与普通汽车相比，电动汽车在售价、行驶里程等方面都处劣势地位。目前的电动汽车的电池寿命相对较短，且在汽车行驶途中充电又不够方便，电动汽车的造价又普遍较高，这些都制约着电动汽车的发展。目前，国家政策已经对电动汽车提供了支持，而电池的续航里程等问题也可以通过增加电池容量来得到解决，我们所面对的最棘手的问题是如何提高电池循环使用寿命，而这一问题也是影响电动汽车行业发展的最根本的问题，同样也是最难以解决的大问题。

1.2　制约电动汽车发展的技术问题

在电动汽车的电池选择中，有时会选择锂离子电池，单体锂离子电池的循环使用寿命为5 000次，但是将电池进行组合后，电池组的寿命只能达到1 500次左右，不仅如此还需要人工的维护才能够达到，不然循环次数则会更少，如果维护不当，或是疏于维护，那么该电池组的循环次数只能达到200次，甚至几十次。可以想象，如果一辆电动汽车的电池只充电几十次就需要换新的电池，对于汽车用户来说，这将是十分糟糕的体验，不仅给用户增加了麻烦而且还提高了汽车的维护成本，这就使得更少的人选择电动汽车。对于这种情况，国内国外的汽车制造商不断发现电池组存在的问题并进行更新和改革，使用新技术提高电池质量，管理电池的一致性，试图实现对电池寿命过短的问题的有效解决。但是，这些手段收效甚微，无法达到预期把控目标，给汽车电池管理带来了麻烦。电池管理系统的造价十分昂贵，而在对电池进行管理的过程中又会消耗大量的能源，这就违背了节能的初衷，更何况电池管理的实现程度不高。一些汽车制造商虽然对电动汽车抱有希望，并投入生产，但是电池的寿命问题给汽车制造商带来了大问题，虽然不断有新的样车推出但是无法投入到售卖中，电动汽车真正实现商业化的发展还需要时间和技术的支持。

在电动汽车使用过程中，电池组由于组内串联的电池之间的电压失衡问题无法得到高效解决，技术人员在不断地配组之后，依然达不到预期目标，在电池组经过若干次充电放电实验循环之后，电池之间的电压又会趋于失衡，导致电池组中的电池受到损害，最后导致电池组失效，损害。在电池组充电放电的过程中，电压失衡的情况逐渐严重，所采取的电池管理手段失效，电池也随之失效，这个程度上的电池无法进行有效的电力输入和输出，损坏的电池会影响电池组中的其他电池构件，导致电池组的温度升高，使电池组处在电力危险的状态下，影响使用寿命和续航里程。但是，研究者发现，虽然电池组装存在着电压不均衡的问题，但是在对电池组的使用过程中，可以在电池组的外电路上安装电池均衡器，这种电池均衡器要具有充电和放电功能，在电池外部进行均衡改善电池组内部电压稳定性的技术方法能够更好地解决电池组电压不稳的问题，给电动汽车电池续航里程和循环使用寿命的增加提供了可能。

2　当前的电池组管理方法

在当前的电动汽车电池的管理中，一些汽车企业不使用电池均衡手段，这些汽车企业制造的电动汽车普遍采用铅酸电池组，当电池组失效后，对电池组进行整组的更换。这也是当前对电动汽车电池管理的最普遍的方式，然而这种方式无法解决电动汽车电池所存在的根本问题，更换电池后电池使用寿命问题还是会出现，所以要进行周而复始的更换，十分麻烦。除此之外，一些电动汽车采用电池管理系统BMS (Battery Manage-ment System)对电池进行管理，通过对电池组中的每块电池进行检测，控制电池组的电压平衡，电池组温度以及电流等数据，在实时的把控中发现故障，进行处理，图1所示为电动车用电池管理系统结构框图。

图1　电动车用电池管理系统结构框图

3　电池均衡技术

在对电池组的电压稳定性的管理中，电池均衡技术可以说是最有效且最有发展前景的技术手段。上文说过，当电池串联成电池组之后会产生电池之间的电压分布不均衡的问题，即便是同一个厂家生产出的统一型号的电池，在进行组合后也无法避免电压不均衡的问题出现。研究者们不断地对电池均衡技术进行研究和探索。但是由于实验验证需要条件复杂，且实际成功性小，许多科研人员对新的电池均衡技术的研究还只能是纸上谈兵，无法落实到实践中去，更不能投入到真实的生产当中。在电池组的组配中很难通过改变电池制造工艺来提高电池组的电压稳定性和使用寿命，所以在电池管理技术中，常常通过增加辅助电路来进行合适的调配，力求在此基础上降低电压的差值。在对电池的管理工作中，技术人员将均衡设备的电能损耗的程度作为电池等级的划分标准，主要分为低损耗型和纯损耗型两种，其中低损耗型更多的被使用，纯耗能型的电压均衡器通过消耗电压较高的电池电量，实现电池组的电压平衡，这种均衡方法只能均衡电池充电时的电压，不能在电池使用过程中对电池电压的控制和均衡。这种均衡器的耗能大，温度高而且效率低并存在着一定的安全隐患，不利于电池的使用。相比之下，低损耗型的均衡器能够实现更高效的均衡，对电能的消耗也比较小，最主要的是在电池的整个使用过程中，无论是电力的输入阶段还是输出阶段都能够实现对电池组电压的均衡作用，但是这种无损型的电压均衡器的技术难度很大，所以还需要科技人员不断发展和研究才能够使用。

4　转移式电池均衡技术

在对电池的电控制过程中，科学研究人员们积极探索，研制出了转移式电池均衡技术，这种技术手段的使用能够使得电池组的电压失衡问题得到高效地解决，在目前阶段已经达到了对原有技术的突破。通过转移式电池均衡技术对电池组进行控制，是一种主动均衡的方法，能够有效解决电池在充电和放电时所出现的电压不均衡问题，达到真正的节能和新能源使用的目的。转移式电池均衡技术能够主动地促进电池组内电能的转移，使电能在转移的过程中实现电池组的动态平衡，减少部分电池电压过高的失衡状态。对部分电压过高的电池电压进行降低，并提高电压过低的电池的电压，在一升一降中获得均衡状态。不仅如此，转移式电池均衡技术可以使电池组在不进行电力输入和输出的空闲时间，进行恢复，主动进行电压的均衡和调节，在下一次使用时就可以从稳定状态开始，并在此循环转移电能的均衡模式，使得电池无论是在使用时还是不使用时都能够实现主动的均衡作用，保障了电池的循环使用寿命，并增加了电池的续航里程。转移式电池均衡技术能够将电流进行传递和调整，主要是根据电池组中相邻的电池之间的电压差来进行的，通过降低电压差的方式来控制电压的均衡程度。转移式电池均衡技术能够对所使用的控制电流方向、大小的控制，严格按照电池所需的均衡模式来进行调节，且不消耗电池中的电能。

转移式电池均衡器安装也十分方便和科学，摒弃了对电池的电能消耗，采用并联的方式，安装在电池组的节点上，电池组中的电池都采用串联方式，所以均衡器的并联并不影响电池组的放电和充电。并联的好处还体现在对不同数量的电池组的控制，有些电池组中串联的电池数量较多，而转移式电池均衡不受其限制，不因为数量的多少而增加难度系数，可以与电池组中的任何节点相连接。而转移式电池均衡器不使用专业芯片，减少成本价格，利用普通电子元器件进行设计和开发。转移式电池均衡技术通过对相邻电池之间的电压差值的判断来进行控制，这也是这项技术的核心，也正因为这一设计，使得对电池电压的均衡得以实现。转移式电池均衡及时在电池外部对电池电压进行调节，电池组中的单体电池的电压和所储备的电能都能够得到主动均衡。电池组中相邻单体电池的电压差保持在最小值，稳定高效。在电池组进行充电的过程中，电池均衡技术能够对低电压的单体电池的电流进行增加，提高其电压；在电池组使用过程中，对电池组中的高电压的单体电池的放电电流进行增加，以此降低其电压。而当电池组既不充电也不放电时，就把电池组中电压较高的电池所储备的电能转移到电压较低的电池中去，在动态稳定中实现对电压差的自动调节，恢复电池电压的均衡。这种主动的，自动化的电池均衡控制手段，能够对电池内部电压、电流以及电能储备进行高效调节，使电池组内单个电池的电压差值得到调节，电池组的循环使用寿命得到增加，很大程度上解决电动汽车中的电池循环使用寿命过短的问题。

经过研究者的实验得出结论，在电池组上连接转移式电池均衡器，无论是锂电池还是镍氢电池，在充电、放电的反复循环实验中，电池组内部的电压差值一直保持在最小，电池组的电压能够得到有效的控制。而并联在电池组上的均衡器受电池组的影响也很小，在充电放电过程中基本上不会发生大幅度的温度升高，温度保持在合理的范围内。即便是采用了较大的充电、放电电流，电池均衡器的温度也只是进行的短时间的升温，并能够在电流输入停止后恢复到初始温度，不影响实验的继续进行。一般情况来说，在电动汽车的电池使用过程中，其充电、放电时间相对于静止时间来说是很少的，转移式电池均衡技术能够保证电池在充电放电以及静止的状态下都能够得到均衡和调控。

5　结束语

综上所述，在电动汽车的发展过程中，节能和新能源的使用是其最初的理念核心，然而汽车制造商真正将电动汽车或混合动能汽车投入到市场中时，取得的销售效果是很不理想的，这种不理想效果的产生有多种原因，而最重要的原因则是其内在因素决定的。电动汽车所使用的电池组的循环使用寿命有限，且电动汽车的造价相对较高，导致汽车用户在选择时更偏向于普通汽车。如何有效解决电池组的电压失衡问题，从而提高电池组的使用寿命是研究者们不断探究的重要话题。转移式电池均衡技术的出现，为提高电池组的续航里程和使用寿命提供了技术支持。该技术通过外部并联的方式对电池组内部电池之间的电压差进行控制，实现对电池组电压的均衡，从而达到预期目的。这种自动电压均衡技术的使用，给电动汽车行业的发展带来了新的前景和希望。

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