新能源汽车动力电池均衡控制管理概述

杨雪茹

新能源汽车动力电池均衡控制管理概述

杨雪茹

（江苏省交通技师学院，江苏 镇江 212028）

新能源汽车动力电池中单体电池之间在使用中存在输出性能不一致情况，会影响到动力电池的工作性能和使用寿命。文章介绍了单体电池的连接方式，阐述了动力电池均衡控制管理的分类和工作原理，结合应用进行性能分析，并根据新能源汽车实际故障案例，分析电池性能不一致性的原因，提出解决方案，为动力电池性能出现不一致性现象提供了故障诊断和排除方法。

动力电池；电池均衡；电池一致性；电池管理系统

动力电池作为新能源汽车的主要动力来源，由多个单体电池通过串、并联的方式连接成电池组。由于受到材料、工艺、使用环境等诸多因素影响，各单体电池性能会出现不一致，从而影响到动力电池的整体性能。电池管理系统（Battery Management System, BMS）具有“均衡管理”的能力，作用是及时调整和保持单体电池之间性能的不一致，确保动力电池整体输出性能。因生产企业设计思路、制造工艺不尽相同，不同车型上的动力电池“均衡管理”方式存在差异性[1]。

1 绪论

1.1 研究背景

我国新能源汽车是从2014年前后开始量产，最早一批投入市场的新能源汽车动力电池已经处于淘汰临界点，具体表现在行驶里程显著下降、充放电速度变快，甚至出现故障导致车辆无法正常行驶等，这些都是由动力电池本体性能所决定。动力电池实质上是由多个单体电池经过串、并联的方式组合形成一个整体电池包，对外输出电能。一定程度上来讲，单体电池性能的优劣决定了动力电池的整体性能。

1.2 研究目的与意义

由于单体电池之间性能的不一致性和工作环境等外部因素的影响，导致车辆在使用过程中因行驶里程的明显下降，使用的不良感极大增加。

如何维护好单体电池的性能，确保整个动力电池性能，延长动力电池的寿命，成为电池管理系统中一项重要管理内容。电池管理系统设置了“均衡管理”控制，在动力电池充放电的过程中，通过类似“传、帮、带”的方式，兼顾性能稍差的单体电池，使性能稍差的单体电池能跟大多数正常性能的单体电池保持相同的充放电速度和倍率，从而保障每个单体电池性能的一致，有利于减缓性能较差的单体电池电量下降速度。对于电量上升过快的单体电池，采用消减的方式，减缓其充电速率，维持所有的单体电池在相同的电量水平。通过类似的均衡调节管理，提升单体电池性能的一致性，提升动力电池包的整体性能。

1.3 创新点

本文阐述了动力电池包（电池PACK，即组合电池，指锂电池组的加工组装，是将单体电池、电池保护板、电池连接片、标签纸等通过电池PACK工艺组合加工成客户需要的产品）内单体电池的连接方式，并详细讲解了不同连接方式之间的优缺点对比。根据实际应用案例，讲解了动力电池管理系统中不同类型“均衡管理”的工作原理、优缺点及其具体应用。通过案例分析讲解电池不一致性的两种类型的特点及区别，为实际故障诊断维修提供借鉴。

2 动力电池均衡管理技术

2.1 单体电池连接方式

不同类型的新能源汽车动力电池包组装形式存在差异，但是单体电池的连接方式仅有串联、并联两种基本方式，这两种方式各有优缺点。串联方式能快速提升整体电池组的对外输出电压，但电池组内阻也会随之上升，动力电池储存的能量将大部分用于传输过程中的内部消耗；并联形式可以有效降低电池组的整体内阻，将电池组内储存的能量大部分用于对外输出，但并联时电压不上升，因此合理使用串、并联方式装配单体电池，可以有效提升存储能量，增加车辆行驶里程。装配单体电池时，可以选择先并联后串联、先串联后并联和串并联组合三种方式，连接方式如图1所示。

从技术参数、整体能量方面来讲，三种方式的性能参数差别不大，但是考虑到电池一致性的影响，先串后并的方式影响较大。当单体电池串联起来以后，组合形成的电池模组会受到每一个单体电池的性能影响，如果该模组中的某个单体电池性能下降严重或者损坏，整个模组都会受其牵连，导致该模组性能下降或者损坏，同时其他电池模组虽然性能正常却不能充分发挥作用；采用先并后串方式的电池包，当某个单体电池性能下降甚至损坏时，其所在的电池模组性能会有所下降，但电流的传输路径并未阻断，只是内阻略有提升，这对整体电池包的性能影响不大。因此，大多数电动汽车选择先并联后串联的方式，先将单体电池并联，形成电池模组，有效降低电池模组的内阻，然后将并联后的电池模组串联起来，组成动力电池包。

2.2 均衡控制管理分类及工作原理

单体电池在单独使用过程中，性能不受其他电池的影响，往往寿命会更长、性能更稳定，但动力电池由于功率和续航里程的需要，要把数量庞大的单体电池通过串并联的方式组成电池模组，然后串联成动力电池包。无论采用哪种串、并联方式的连接，组合后的动力电池组单体电池之间会形成“木桶效应”，整个动力电池包的整体性能都会受到单个性能差异较大的电池的影响。简言之，某个单体电池性能较差，会导致整个电池包内成百上千的单体电池性能因其性能下降或寿命终结而随之下降，甚至使用性能终结。

电池均衡管理分类方式很多。按分布位置不同，可分为集中式均衡和分布式均衡；按充放电过程不同，可分为充电均衡、放电均衡和双向均衡；按能量管理方式不同，可分为耗散型均衡、非耗散型均衡；按管理主从方式不同，可分为主动均衡和被动均衡等。在动力电池充电过程中，耗散型均衡和非耗散型均衡应用广泛[2]。

耗散型均衡，通常也称为“被动均衡”，就是在电池包工作过程中，通过控制单元BMS监控各个电池单体或者电池模组的充电状态，如图2所示。当其中某个单体电池或者电池模组先于其他充满时，就将先充满的电池通过配套电路中的电阻释放一部分电能，该单体电池或者电池模组从充满电的状态降至未充满电状态，这样就能在一定程度上保持电池总成的一致性，不影响其他电池单体或电池模组的充电进行，也不会造成过充电。一般被动均衡，每个电池单元都通过一个开关连接到一个负载电阻。该方法只适用于在充电模式下抑制最强电池单元的电压攀升，一般被动均衡的优点是电路结构简单，成本较低。但是其缺点也很明显，它只能做充电均衡。由于均衡时产生热量，难以做大均衡电流，一般仅为30～ 100 mA，所以均衡效果很难显现[3]。这种方式相对来说简单粗暴，对于充电过程中的能量消耗很大，但其控制线路和控制策略简单有效，应用在很多车型上。

图2 耗散型均衡系统电路示意图

相对耗散型均衡来说，非耗散型均衡控制方式相对合理。非耗散型均衡的控制方法是通过控制单元监控单体电池或者电池模组，当其中某个单体电池或者电池模组先充满时，就通过配套管理电路的工作，将其中已经充满电的单体电池或者电池模组内的电能通过配套电路中的电感或电容电路存储起来，转移至充电最慢、储存电能最少的电池单体或者电池模组中。这样在经历一次均衡管理之后，所有的电池单体或者模组的电能会趋向一致，保持电池的一致性，所有电池都能正常进行充电。每隔一段时间或者充入一定电能之后，对于电池总成进行一次电池均衡控制，使得所有的电池参数趋向平均，不仅可以帮助电容量储存性能欠佳的电池，也保护了充电过快的电池。但这种类型的均衡控制过程会延长充电时间，均衡控制线路更加复杂，智能化程度更高，生产制造成本会随之上升。

非耗散型均衡，通常也称为“主动均衡”，能够合理转移单元电池的电能，理论上只是转移电能，不产生或产生很少热量，如图3所示。一种是直流母线转移法，通过隔离型直流转直流（Direct Current, DC/DC）模块，电池与电池组直流母线之间的电能交换实现均衡，其主要缺点是电池电压与电池组电压相差过大，使得两者之间的电能转移电路的设计难度大；第二种是通过电池单元间的电能平衡电路逐级转移。逐级转移法虽然相邻电池单元之间的电能转移不受总电压的影响，但是电池组串联级数多时，电能转换次数多、能量损失大、均衡效率低[4]。

图3 非耗散型均衡电路示意图

有了均衡控制管理，电池的一致性得到很大程度的改善。动力电池不是作为主要驱动设备的混合动力车型，随车装备的动力电池数量相对较少，往往会优先采用集中式均衡管理控制方式，由BMS集中管理所有的动力电池的单体、模组的均衡问题。为了节省材料的消耗，均衡线路通常会与单体电池电压采集线共用，因此，在这一类新能源汽车上很难看到单独的动力电池均衡管理系统。对于采用数量庞大的单体电池形成动力电池总成的纯电动汽车而言，集中式均衡管理会造成控制网络过于复杂，线路连接密集，会导致系统工作可靠性下降。因此，对于以动力电池作为唯一动力来源的纯电动汽车来说，采用分布式均衡管理方式更加合适[5]。所谓的分布式均衡，就是把动力电池总成中的所有的单体电池分成若干个电池模组，每一个电池模组设置一个监控单元，由其完成该电池模组的均衡管理控制，每一个电池模组监控单元，只负责其管理的自身模组的均衡控制，而电池模组之间的均衡性就通过网络系统，把电池模组监控单元采集到的各自的均衡参数发送到共同的上级管理模块，即BMS模块。换言之，BMS负责协调电池模组监控单元之间的均衡问题，电池模组监控单元负责自身的电池均衡控制，形成一个树状的分级管理系统架构[6]。

除充电均衡之外，当然还有放电均衡、双向均衡，工作原理大致类似。既然动力均衡性如此重要，大量新能源车企都不惜投入大量资源进行动力电池均衡管理控制的研发和应用。对于从事汽车维修的人员来说，深入理解了电池均衡的工作原理与意义，就能明白动力电池均衡系统控制良好的情况下，单体电池和电池模组的均衡性就会很高，动力电池的使用寿命就会延长。当从事维修作业时，通过对不同单体电池电压差等采集数据的监控对比分析，有利于观察判断单体电池的性能，也可以辅助判断动力电池均衡系统是否工作正常。

3 案例分析

3.1 故障案例引入

一辆正常行驶的纯电动汽车仪表板提示系统故障指示灯突然亮起，系统提示“请检查动力系统”“请及时充电”“动力电池均衡性超出限值范围”等信息，检查电池荷电状态（State Of Charge, SOC），发现整车值低于10%。经过咨询得知，该车行驶前已充满电，行驶路程也较短，远未达到单次充满电后的最大行驶里程。结合故障系统提示内容，重点考虑动力电池模组或者单体电池的电池一致性和电池均衡管理控制方面出现故障。

3.2 电池性能不一致性原因分析

动力电池单体的性能不仅受到自身材料、制造工艺的影响，还受到上限电压、下限电压、环境温度、充放电次数和充放电倍率的影响。充放电倍率关系到电动汽车驱动电机、电机控制器、电动空调等高压用电设备的控制和交流慢充和直流快充的控制[7]。

电池不一致性可分为第一类不一致性和第二类不一致性两类。

第一类不一致性即单体电池自身容量的差异导致的不一致性。第一类不一致性由电池生产制造工艺不完善导致，同一批次电池容量有一定的离散性。假设#1、#2和#3三只100 Ah串联电池的实际容量分别为95 Ah、100 Ah、105 Ah，即存在第一类不一致性，容量差异为10 Ah；三只电池的初始电量均为60 Ah，在此情况下完全由第一类不一致性导致的最大差异能达到9%（充放电末端达到最大值），最小差异为5%左右，如图4所示。

图4 第一类不一致性示意图

第一类不一致性的影响：充电时，#1电池先达到截止电压，充电终止；放电时，三只电池几乎同时达到截止电压，放电终止；电池组的充放电能力受容量最小的#1单体电池制约，实际只能达到95 Ah，如图5所示。

图5 第一类不一致性影响示意图

第二类不一致性即单体电池初始电量差异导致的不一致性。第二类不一致性区别于第一类不一致性，电池组在实际应用过程中由于内阻差异、自放电率差异等原因，第二类电量的不一致性会从无到有、由弱到强。假设#1、#2和#3三只串联电池的实际容量均为100 Ah，不存在第一类不一致性，当前初始电量分别为55 Ah、60 Ah、65 Ah，由此导致的差异为10%，电量最大差异10 Ah，如图6所示。

图6 第二类不一致性示意图

第二类不一致性的影响：充电时，#3电池先达到截止电压，充电终止；放电时，#1先达到截止电压，放电终止；电池的实际容量是100 Ah，然而充放电能力实际只有90 Ah，如图7所示。

图7 第二类不一致性影响示意图

在动力电池向外输出电能时，假如大多数电池还有电能未释放，而其中一个或少数几个单体电池的电量已经放完，若任由其持续放电，这几个单体电池就会出现过放电而提前报废，从而导致动力电池整体报废。正常状况下，BMS出于保护电池总成的目的，提前终止动力电池总成向外输出电能。单体电池性能良好，若充放电速度过快也会造成故障，假如在对动力电池总成进行充电时，大多数单体电池的电量达到50%～70%时，个别单体电池已经充满，如果任由其随着其他电池一起持续充电，该单体电池会因为过充电而导致电池过热，甚至发生爆炸，造成安全事故。由此可见，电池单体性能的一致性至关重要[8]。

3.3 故障诊断与排除

根据经验，通过对动力电池在充放电时的数据流监控对比判断。在放电过程中，观察单体电池的电压、温度、电压差等参数；在充电完毕后，观察单体电池的电压差，判断均衡管理控制系统的性能。

查看动力电池的故障数据流，发现有两个单体电池在、单体电压方面与其他大部分单体电池相差过大，超过BMS系统设置的压差三级故障范围。通过对单体电池进行分容处理后，即“充电-放电循环”处理，这两个单体电池充电时间很短，很快就达到充满状态；放电时速度也明显高于其他单体电池，判断两个单体电池出现本体故障，不能通过系统均衡处理解决问题。更换单体电池，重新组装成电池模组后，测试性能与动力电池包整体基本一致。装车后，清除故障码后再次读取故障码，故障码清除，至此BMS系统故障排除。

4 结论

动力电池均衡控制的理解误区主要集中在以下几个方面：

1）均衡可以对性能下降的电池进行修复。均衡控制只能缓解不一致性造成的影响，不能对本体性能下降的电池进行修复，若单体电池或模组性能下降超过下限值，应及时更换单体电池或模组。

2）均衡可以代替电池分选。电池分选不可替代，解决不一致性依赖于均衡的原理及均衡能力，均衡只能起到调理作用，“治标并不治本”。

3）充电均衡或者放电均衡可以解决不一致性问题。充电均衡或者放电均衡只能解决第二类不一致性问题，且依赖于均衡管理，不适用于电池自身容量差异（第一类不一致性），只有同时具备充放电均衡才能改善第一类不一致性。

4）均衡能够提升电池使用安全性。该理解比较片面、狭隘，电池使用的安全性不完全依赖于均衡管理。

[1] 杜吉祥.电池管理系统被动全均衡技术研究[D].重庆:重庆理工大学,2022.

[2] 王晓露,谭泽富,代妮娜,等.电池管理系统均衡技术发展综述[J].现代信息科技,2022(8):56-59.

[3] 付望.锂电池均衡电路的研究[J].电子世界,2021(16): 25-26.

[4] 吴锐.纯电动汽车动力电池均衡控制研究[D].重庆:重庆交通大学,2022.

[5] 谢恩彦,仲卫,陆飞,等.锂离子电池组均衡控制策略研究[J].电源技术,2022(8):876-880.

[6] 高鹏飞,晋贞贞.磷酸铁锂电池均衡技术的研究[J].电工材料,2021(4):40-43,48.

[7] 焦建刚.纯电动汽车动力电池均衡技术分析[J].汽车维修与保养,2021(11):73-75.

[8] 杨法松,吉祥,曾国建,等.电池管理系统均衡策略测试方法[J].汽车实用技术,2022,47(6):14-17.

Review of Balance Control Management of Power Battery of New Energy Vehicles

YANG Xueru

( Jiangsu Jiaotong College, Zhenjiang 212028, China )

The output performance of the single battery in the new energy vehicle power battery is inconsistent in use, which will affect the working performance and service life of the power battery. This paper introduces the connection mode of single battery, expounds the classification and working principle of power battery balance control and management, analyzes the performance of the battery combined with the application, and analyzes the causes of the battery performance inconsistency according to the actual fault cases of new energy vehicles, puts forward solutions, and provides fault diagnosis and elimination methods for the power battery performance inconsistency.

Power battery;Battery balance;Battery consistency;Batterymanagement system

U469.7

A

1671-7988(2023)17-29-07

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.017.006

杨雪茹（1974－），女，高级讲师，研究方向为汽车检测与维修、汽车专业教研教改，E-mail:371913385@qq.com。