电动汽车磷酸铁锂电池均衡管理策略综述

侯湘怡

摘要：电动汽车动力电池组通过将单体串并联达到所需电压和容量的要求，而单体电池在生产、使用过程中的差异性将导致整个电池包的容量降低、循环使用寿命衰减。本文分析了导致动力电池不一致性的影响因素，并列举了两种实际应用均衡策略，对策略的优劣与发展趋势做出了评价。

关键词：动力电池;不一致性;均衡策略;评价

0  引言

锂电池是用金属锂作为负极活性物质的电池的总称。目前，因为锂电池在比能量和比功率性能方面都具有较大的优势，所以有比较好的发展前景。以磷酸铁锂电池（LiFePO4）为例，它有制备的原料来源广泛、价格低廉、无毒无污染、安全性能好、充放电比较平稳、循环使用寿命长等优点，当前被新能源汽车行业竟相研发。由于单体磷酸铁锂电池的标称电压为3.2V，无法满足电动汽车的动力需求，需要将若干个单体串联使用，所需要的单体数量越多，电池的不一致性就越明显，并且随着电池组循环使用次数的增加及充放电电流、温度、内阻、自放电率等因素的影响，单体电池间的不一致性池以及荷电状态SOC（state of charge）不一致性逐渐加大。

电池组须尽可能地保证在充放电过程中单体电池电压和电流在允许范围内，以LiFePO4电池为例，单体电池工作端电压范围通常约为2.8～4V。如果电池组在充电的过程中出现了过充，不仅会降低电池组的容量，而且会导致电池内部气压过大造成鼓包，提前报废;在放电过程中出现了过放，也会影响电池的使用寿命。因此需要过充、过放保护电路来均衡电池组的电压，最大限度的延长电池的使用寿命。

1  电池不一致性的影响因素

1.1 电池生产制作工艺限制

电池在初始生产过程中材质分布的不均性及制作工艺的繁杂性导致单体电池的不一致性，如电池正负极板的质量、厚度、面积不完全一致;电解液的质量和密度会影响电池的自放电率及容量。并且电池制作工艺复杂，随着工艺环节数量的增加，电池的不一致性就越明显。工艺流程如图1所示。

1.2 电池组中单体的自放电率不一致

电池在静置状态会产生自放电的现象，而电池所处的环境及不同的使用工况导致每个单体的自放电的速度都是不一致的，所以每节单体容量的衰减程度也是不一样的，那么在电池组充电的过程中容量小的会先充满，但充电并未终止，则容量小的单体就会处于过充状态，导致电池容量减小;在放电过程中容量小的单体又会先放完电，而放电并未终止，则容量小的单体就会处于过放状态，电池的正负极的活性物质恢复困难，电池的容量降低。久而久之会影响整个电池组的循环使用寿命。

1.3 使用过程中，电阻、温度、充放电效率会放大單体的不一致性

电池前期制作过程中，电池电解液的杂质的多少及正负极的焊接质量会影响电池的内阻，而在使用过程中，内阻大的电池能耗高，产生的热量也大，可能会导致电池过温的现象，充放电效率也会降低。随着电池使用次数得增加，就会放大单体的不一致性。

综上所述，影响锂离子电池的不一致性客观因素很多也无法避免，生产制作时应提升工艺水平加强标准化生产。本文主要从使用的角度出发，采取有效的均衡策略对电池的充放电进行智能化管理，以求达到延长电池的循环使用次数和提高电池容量的目的。近年来，均衡管理策略多种多样，在均衡领域都有自己的优势，但也有难以逾越的技术问题导致均衡能力受限。

2  均衡电路拓扑结构

在电池组的基础上加入均衡电路就是为了平衡电池组中单体电池的容量和能量差异，提高电池组的能量利用率，能够很好的平衡单体之间的荷电状态。目前均衡电路的分类主要分为能量耗散型和能量非耗散型。

①能量耗散型，如图2所示，主要通过控制系统检测电池组中能量较高的单体电池，控制开关K的通断，利用其旁路电阻将多余的电能转化成热能消耗，以期达到电池组能量状态的一致性。能量耗散型的优点就是电路结构控制和电路比较简单，成本低廉，但是在均衡的过程中电阻产生大量的热能，不仅会消耗电池组的电能，而且也会加大电池管理系统（简称BMS，Battery Managements System）中热管理的负担，系统的可靠性也会降低，因此能量耗散型的均衡策略应用就会受限，对于大容量、大功率的电池组并不是适用，一般搭载在容量较小或者容量较小的电池组。

②能量非耗散型均，本质上均是利用储能元件和均衡旁路构建能量传递通道，将其从能量较高电池直接或间接转移至能量较低的电池。储能元件以电容为例，如图3所示。开关电容法是目前常用的拓扑结构，控制系统通过检测单体的能量状态，能量偏高的单体和能量偏低的单体的开关接通，能量通过电容组进行迅速传递，均衡效率高，但是开关器件较多且当相邻蓄电池间电压差较小时其达到均衡需要很长时间。

3  结语

目前，对于BMS均衡电路的设计基本上都是根据电动汽车的实际需要，能量非耗散型运用广泛，均衡过程中应该灵活度高，控制模块简易化，均衡电路应适用于汽车各种工况，最后根据技术精度的要求和制造成本的考虑，采用相应的控制技术实现在线及离线的电池管理，来确保电池能够安全和可靠地运行。如何实现大电流均衡，最大限度的降低对锂电池的损伤仍是研究难点，还需要努力研究解决。

参考文献：

[1]刘红锐，夏超英.一种新型的电动汽车用电池均衡方法探讨[J].汽车工程，2013，35（10）：934-938.

[2]刘秀岗.动力电池组充电过程中主动均衡策略研究[D].吉林大学，2017.

[3]杨宗霄，陈伟，李玉彬.锂电池组的两级均衡充放电控制策略[J].河南科技大学学报（自然科学版），2018，01（39）：53-58.