動(dòng)力電池續(xù)航難？均衡控制助力動(dòng)力電池續(xù)航

目前來(lái)看，汽車(chē)電動(dòng)化必是汽車(chē)未來(lái)的主要發(fā)展趨勢(shì)之一。說(shuō)起電動(dòng)汽車(chē)，首先便會(huì)想到它的動(dòng)力電池，動(dòng)力電池的成本高低、續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)短、充電時(shí)間快慢以及它的安全性一直被汽車(chē)行業(yè)高度關(guān)注，其中均衡控制技術(shù)便是提升動(dòng)力電池續(xù)航能力的關(guān)鍵技術(shù)之一。那什么是均衡控制技術(shù)呢？為什么能提高動(dòng)力電池的續(xù)航能力呢？就讓我們下面一一來(lái)進(jìn)行解答。

均衡控制技術(shù)就是要克服電芯不一致性。這里就出現(xiàn)了兩個(gè)問(wèn)題：

1、什么是電芯的不一致性？

2、電芯不一致會(huì)造成什么后果？

電芯的不一致性

通俗來(lái)說(shuō)就是每個(gè)電芯都是不一樣的。這很好理解，就如同世界上不會(huì)有完全相同的兩片葉子。首先在制造生產(chǎn)過(guò)程中，很難保證生產(chǎn)出的電池完全一致；其次在使用的過(guò)程中，由于外部環(huán)境的不同，日積月累，電芯的容量和電芯中的電量等會(huì)存在差異。而其中最主要的外部環(huán)境便是溫度。一般情況下，鋰離子電池的使用環(huán)境溫度高于其最佳溫度10℃時(shí)，鋰離子電池的壽命會(huì)降低一半。

因?yàn)樵诓煌臏囟认拢娦緝?nèi)會(huì)產(chǎn)生不一樣的化學(xué)反應(yīng)，從而導(dǎo)致每個(gè)電芯的差異。那么，能不能對(duì)于電芯的溫度進(jìn)行控制呢？答案是否定的。一方面，在汽車(chē)中，動(dòng)力電池由成百甚至上千個(gè)電芯串并聯(lián)組成，其所占體積比較大，在汽車(chē)實(shí)際行駛過(guò)程中，很難控制其中的每個(gè)電芯都具有相同的溫度；另一方面，電芯內(nèi)部發(fā)生的各種化學(xué)反應(yīng)和電路中的各種元器件，釋放出的熱量會(huì)所有差別，因此電池的這種溫度差異是無(wú)法避免的。

那么差異主要體現(xiàn)在什么地方呢？如果將電池比作一個(gè)木桶，那么電量就是木桶中的水，也就是人們所說(shuō)的SOC（荷電狀態(tài)），木桶的容積就是我們所說(shuō)的電池容量。如下圖所示，左側(cè)的電池容量是相同的，但是它們的SOC不同，而右側(cè)兩個(gè)電池它們的容量和SOC均有差別。

圖 1電芯不一致對(duì)比圖

電芯不一致造成的后果

為什么要如此強(qiáng)調(diào)電芯的不一致呢？首先我們要了解鋰電池的一個(gè)性能，它會(huì)有一個(gè)充電上限以及放電下限，如果超過(guò)這個(gè)上限或者下限，就是我們通常所說(shuō)的“過(guò)充”以及“過(guò)放”，鋰電池都可能因?yàn)椤斑^(guò)充”或者“過(guò)放”發(fā)生燃燒甚至是爆炸，這對(duì)電動(dòng)汽車(chē)會(huì)造成極大的安全隱患，所以我們要避免“過(guò)充”以及“過(guò)放”。

由于充電上限和放電下限的存在，如下圖所示，在放電時(shí)，當(dāng)一個(gè)電芯達(dá)到放電下限時(shí)，電池的管理系統(tǒng)就會(huì)中止電芯的放電過(guò)程，其余電芯也無(wú)法再進(jìn)行放電，因此在其他電芯中的電量會(huì)被浪費(fèi)。同理，在充電過(guò)程中，如果一個(gè)電芯充電到充電上限，該充電過(guò)程就會(huì)中止，其余電芯中剩余的空間也不能得到利用。這就像我們所知道的短板效應(yīng)，當(dāng)一個(gè)木桶里有一個(gè)短板時(shí)，這個(gè)桶的其他的板再長(zhǎng)，水的容量也無(wú)法再增加。這樣會(huì)導(dǎo)致很大的一部分電池容量沒(méi)有被利用，如果放任這種情況繼續(xù)下去，在電池循環(huán)往復(fù)的充放電過(guò)程中，沒(méi)有被使用的電池容量將會(huì)越來(lái)越多，電池的續(xù)航能力將大大降低。因此為了應(yīng)對(duì)這一問(wèn)題，電池的均衡控制技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

圖 2電芯充放電示意圖

均衡技術(shù)又分成了兩類(lèi)，一類(lèi)是被動(dòng)均衡技術(shù)，一類(lèi)是主動(dòng)均衡技術(shù)。被動(dòng)均衡技術(shù)就是將即將要充滿(mǎn)的電池的電量進(jìn)行消耗；主動(dòng)均衡技術(shù)就是將即將要充滿(mǎn)的電池的電量進(jìn)行轉(zhuǎn)移，兩種方式都能使得電芯電量可以趨于一致，提高電池的性能。

被動(dòng)均衡技術(shù)

一般被動(dòng)均衡技術(shù)會(huì)通過(guò)電阻，將即將容量要滿(mǎn)的電池的電量通過(guò)熱的形式消耗，為別的電芯爭(zhēng)取更多的充電時(shí)間。如圖，因?yàn)榈谌齻€(gè)電芯最快充滿(mǎn)，所以會(huì)在上面并聯(lián)一個(gè)電阻，將其的電量耗散掉，從而1、2、4都可以達(dá)到充滿(mǎn)的狀態(tài)。

圖 3 被動(dòng)均衡技術(shù)示意圖

被動(dòng)均衡電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，較容易實(shí)現(xiàn)，所以被應(yīng)用在很多電動(dòng)汽車(chē)上。但是他不能對(duì)電池的容量進(jìn)行改變，而且多余的電荷量被完完全全通過(guò)熱量耗散掉，造成了電量的損失。其次耗散的熱量也對(duì)鋰電池的散熱系統(tǒng)提出了更高的要求，因?yàn)殇囯姵貙?duì)熱是很敏感的，溫度不同他們的容量、SOC都會(huì)發(fā)生顯著的差別，也會(huì)帶來(lái)安全問(wèn)題。

主動(dòng)均衡技術(shù)

主動(dòng)均衡技術(shù)的大致思路是把電量高的電芯的電量轉(zhuǎn)移到電量低的電芯中。具體來(lái)說(shuō)就是在放電過(guò)程把電量高的電芯A的電量轉(zhuǎn)移到電芯B那里，讓電芯B不會(huì)那么快觸及放電下限。如此類(lèi)推，最高電量的電芯給最低電量的電芯“充電”，電池內(nèi)的電芯的電量會(huì)被周而復(fù)始的均衡，提高電池的性能以及整車(chē)的續(xù)航能力。充電過(guò)程也是如此，對(duì)于較快充滿(mǎn)的A電芯，將把較快充滿(mǎn)的A電芯中的電量轉(zhuǎn)移到第二多電量的電芯中，之后兩個(gè)電芯將會(huì)同時(shí)接近充滿(mǎn)，將兩個(gè)電芯的電量再轉(zhuǎn)移到電量第三多的電芯中，周而復(fù)始，直到充滿(mǎn)每個(gè)電芯。

圖 4 主動(dòng)均衡技術(shù)原理圖

主動(dòng)均衡有各種各樣的方式，根據(jù)所使用的電路器件不同，可以分為電容式、電感式、變壓器式等。下面舉一個(gè)電容式具體例子來(lái)簡(jiǎn)單理解一下主動(dòng)均衡過(guò)程。

圖 5 電容式主動(dòng)均衡原理圖

這是一個(gè)主動(dòng)均衡的主電路，看起來(lái)比較復(fù)雜，其實(shí)原理相對(duì)簡(jiǎn)單。綠色背景框住的電路圖為其中的一個(gè)單元，剩余電路都是這個(gè)單元電路的重復(fù)。首先，右側(cè)的開(kāi)關(guān)全部導(dǎo)通，即Sa21和Sa22閉合，此時(shí)，電容C2充電，最終電容C2的電壓與B2相同。然后Sb21和Sb22斷開(kāi)，左邊一側(cè)的開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，使得C1、C2、……Cn的電容并聯(lián)，最終各個(gè)電容電壓相等。最后，左邊一側(cè)的開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，右邊一側(cè)開(kāi)關(guān)再導(dǎo)通，電容C與電池B進(jìn)行能量交換，實(shí)現(xiàn)整個(gè)電池組中的各個(gè)單體電容量的均衡。

圖 6 電容式主動(dòng)均衡過(guò)程

但是，主動(dòng)均衡也有其缺點(diǎn)，從圖5可以看出，主動(dòng)均衡所需要的電路復(fù)雜，復(fù)雜的電路安全性也難以保障，而且在汽車(chē)比較難以實(shí)現(xiàn)，因此其還在進(jìn)一步的試驗(yàn)和發(fā)展中。

由于電芯不一致，為了保障電池的容量利用率，提高電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)航，動(dòng)力電池均衡控制技術(shù)不斷發(fā)展。被動(dòng)均衡技術(shù)和主動(dòng)均衡技術(shù)各有優(yōu)劣，現(xiàn)階段主要在汽車(chē)上應(yīng)用的是被動(dòng)均衡技術(shù)，如何進(jìn)行有效安全的主動(dòng)均衡，這對(duì)于現(xiàn)階段的動(dòng)力電池控制策略來(lái)說(shuō)是一大挑戰(zhàn)也是機(jī)遇。