纯电动汽车动力电池均衡技术分析

2021-03-11山东焦建刚

汽车维修与保养 2021年11期

◆文/山东焦建刚

纯电动汽车所采用的动力电池组是由多个单体电池组成的。在目前的电池制造技术水平下，纯电动汽车的蓄电池虽然是同一型号、同一规格，但各蓄电池的电压、内阻及容量等参数存在差别。单体之间的性能差异在蓄电池整个生命周期里不可避免的存在，组合成多节串联电池组后，在充放电过程中的不一致会导致单体电池由于过充、过放而提前失效。这不仅缩短了动力电池的使用寿命，而且会因为单体电池的内阻增大和有效活性物质减少而使动力电池充放电能量转换效率下降和输出功率降低，并导致电动汽车的动力学下降。

一、动力电池不均衡原因及现象

有些使用镍钴锰、镍钴铝或其他类型动力电池（电芯）的车辆，电池包里会有数百甚至数千节电池。这些电池会采用“串并”的方式组合，串联升高电压、并联扩大容量，因此在使用过程中就无法保证每节电池或某个模块不出现电压、容量、温度的差异，这就会造成不均衡或不平衡趋势的问题。

假设某几个电芯或模块出现容量的严重下降，电压自然也会降低。充电的时候这些电池就会先充满，而控制单元在检测到这些电池充满之后就会停止充电，但此时其他电池还没有充满，然而也是不得不停止充电（图1）。这就导致电池组总也充不满，续航里程当然会受到影响。在用车过程中可能出现“跳电”的情况，比如SOC-40%行驶中，正常驾驶忽然出现从40%降低到20%，这两成的电量可能只能行驶几百米，但在40%～60%区间却可以行驶几十千米，电池组的问题就很严重了，此时就需要进行均衡充电。

图1 动力电池包无法充满示意图

电动汽车充电时候，SOC计算是按照最高单体电压计算的；放电时候SOC按照最低单体电压计算。而电池包由多个电芯串联而成，充电状态下，最高单体电压达到充电截止电压时，最低单体电压未必达到满充截止点，这就导致整包实际充不满。因此需要通过主动/被动均衡，把最高电压单体的电量转移出去（均衡放电），同时对最低电压单体额外进行充电（均衡充电），这就是充电过程中的均衡操作（图2）。

图2 动力电池包电量无法完全使用示意图

二、动力电池均衡技术

动力电池均衡技术的意义就是利用电子技术，使锂离子电池单体电压偏差保持在预期的范围内，从而保证每个单体电池在正常的使用时不发生损坏。若不进行均衡控制，随着充放电循环的增加，各单体电池电压逐渐分化，使用寿命将大大缩减。

电池均衡一般分为主动均衡、被动均衡两种。

1.被动均衡

被动均衡，指的是在充电过程中，运用电阻器，将高电压或者高荷电量电芯的能量消耗掉，以达到减小不同电芯之间差距的目的，是一种能量的消耗。当各单体电池电压接近一致时，继续进行充电。此过程一直重复进行，直到各单体电池电压接近一致（图3）。

图3 电池管理系统均衡管理功能展示——被动均衡

2.主动均衡

主动均衡，运用储能器件等，将荷载较多能量的电芯部分能量转移到能量较少的电芯上去，是能量的转移。均衡充电时，电容通过其控制开关交替与相邻两个电池连接，接受电压高电池的充电，并向电压低的电池放电，直到两个蓄电池的电压趋于一致（图4）。

三、动力电池组均衡维护仪的使用

1.动力电池组均衡维护仪

图4 电池管理系统均衡管理功能展示——主动均衡

目前，部分电动汽车的BMS管理系统设计有电池均衡功能，但由于系统的复杂性以及成本控制限制，并没有在所有的电动汽车上面得到普及，因此，实际使用中的电动汽车在使用一定时间后，会面临着动力电池由于单体电池性能下降所导致的容量降低，续航里程下降严重的问题，为了解决这种问题，当电动汽车行驶到一定里程后，就必须采用专业的电池组均衡维护仪（图5）进行电池的均衡作业，以使动力电池性能恢复到正常范围。