轉(zhuǎn)移式電池均衡技術(shù)在電動汽車中的應(yīng)用研究

劉宏南

(阜新高等?？茖W(xué)校，遼寧 阜新 123000)

0　引　言

在綠色生活理念下，人們需要從衣食住行等各個方面進(jìn)行節(jié)能減排。對于出行的交通工具來說，除了自行車、公共交通設(shè)施等低碳環(huán)保出行方式外，還可以選擇電動汽車。電動汽車摒棄了傳統(tǒng)汽車的燃油廢氣排放，降低了空氣的污染。而在電動汽車中，電池扮演著重要的角色——動力源泉。電池組是否能夠供應(yīng)電動汽車長途行駛，保障穩(wěn)定狀態(tài)，受電池的原材料、電池的制造工藝以及電池所處的客觀環(huán)境影響。作為電動汽車中非常重要的一部分，如何保護(hù)電池，增加續(xù)航時間，是我們要考慮的問題。在汽車的構(gòu)件組成中，除了汽車框架結(jié)構(gòu)以及輔助設(shè)施外，最重要的是供能結(jié)構(gòu)。普通汽車多采用燃油模式，但是在供能結(jié)構(gòu)中仍然要配置一到兩塊鉛酸蓄電池，在普通汽車中，電池的使用主要是為了汽車電氣設(shè)備的運行以及汽車的啟動。而對于電動汽車來說，顧名思義，需要電池作為供能主要來源，電動汽車中至少需要四塊鉛酸蓄電池甚至更多的電池，提供更大的電能儲備。電動汽車所使用的電池要以串聯(lián)的方式組合成電池組，在汽車行駛過程中共同作用，共同發(fā)電。電池的選擇也是十分關(guān)鍵的，為什么不選擇其他種類的電池，是因為一些電池的單體電壓相對較低，比如常用的鎳氫電池和鋰電池。這兩種電池如果要在電動汽車中投入使用，則會需要驚人的數(shù)量。將這些數(shù)量巨大的電池串聯(lián)在一起則會加大電池組電壓不均衡的問題，導(dǎo)致電池組的能效大大降低，影響電動汽車的實際運行?；谶@些原因考慮，無論是以什么模式串聯(lián)的電池組，在受外界條件影響的情況下，都有可能出現(xiàn)電池組電壓不均衡的問題，而這也是電池保護(hù)工作中急需解決的問題。采用轉(zhuǎn)移式電池均衡技術(shù)對供電電池組的電壓進(jìn)行有效調(diào)節(jié)，是一種主動均衡技術(shù)。轉(zhuǎn)移式電池電壓均衡技術(shù)能夠?qū)⑾噜彽碾姵刂g的電壓差值降低到最小，大大提升了電池組電壓的穩(wěn)定程度，實現(xiàn)了科學(xué)延長電動汽車電池組使用壽命的目標(biāo)。

1　電動汽車的發(fā)展?fàn)顩r

1.1　國內(nèi)電動汽車的發(fā)展?fàn)顩r

綠色生活理念逐漸被人們所接受和推崇，而在工業(yè)生產(chǎn)行業(yè)，也在推行新能源的使用和對化石能源的節(jié)約。在汽車行業(yè)發(fā)展規(guī)劃的新時期背景下，節(jié)能減排逐漸成為了各汽車企業(yè)所關(guān)注的問題，順應(yīng)節(jié)能號召的要求，以及對新能源發(fā)展的推進(jìn)，國內(nèi)許多汽車企業(yè)將目光聚集在使用新能源的電動汽車上。汽車企業(yè)不斷推陳出新，研發(fā)出具有企業(yè)特色的混合動力車和純電動汽車。可以說，這是國內(nèi)汽車行業(yè)在新形勢下的發(fā)展和突破，也將會成為整個汽車行業(yè)的發(fā)展趨勢和前景。

但是雖然國內(nèi)汽車銷售量逐年增長，買車的人越來越多，但是對于電動汽車這種新型汽車，接受程度還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，相關(guān)汽車企業(yè)的電動汽車銷量在近幾年都不算理想。連續(xù)幾年電動汽車的銷量都只能維持在七八千輛，年銷量無法破萬。但是2012年我國國務(wù)院下發(fā)的《2012 年～2020 年的新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》中明確指出，到2015年年底實現(xiàn)500 000輛電動汽車行駛在道路上，到2020年年底實現(xiàn)五百萬輛電動汽車行駛在道路上。然而實際上，到去年年底我國電動汽車產(chǎn)業(yè)從2012年開始的電動汽車銷量才不過幾萬臺。但是，即便是銷售情況不夠樂觀，我們也不能夠放棄對汽車行業(yè)的這一改革模式。在2014年國家相關(guān)部門審批通過了《政府機(jī)關(guān)及公共機(jī)構(gòu)購買新能源汽車實施方案》，這一方案是國家機(jī)關(guān)事務(wù)管理局、科技部、財政部、工業(yè)和信息化部以及國家發(fā)展和改革委員換共同定制。為了能夠促進(jìn)電動汽車行業(yè)的發(fā)展，突破當(dāng)前的銷售困難，國家相關(guān)部門通過此舉支持了純電動汽車，插電式混合動力汽車等新型電動汽車的發(fā)展。

電動汽車為什么會面臨這樣的發(fā)展困境？觀察電動汽車的發(fā)展環(huán)境以及技術(shù)支持，發(fā)現(xiàn)制約和限制電動汽車發(fā)展的客觀條件有很多，其中包括國家政策，汽車電池的充電時間，汽車企業(yè)的售后服務(wù)，電動汽車的價格，單次充電續(xù)航時間，充電的方便程度，電池循環(huán)使用壽命以及電池的續(xù)航里程等。然而與普通汽車相比，電動汽車在售價、行駛里程等方面都處劣勢地位。目前的電動汽車的電池壽命相對較短，且在汽車行駛途中充電又不夠方便，電動汽車的造價又普遍較高，這些都制約著電動汽車的發(fā)展。目前，國家政策已經(jīng)對電動汽車提供了支持，而電池的續(xù)航里程等問題也可以通過增加電池容量來得到解決，我們所面對的最棘手的問題是如何提高電池循環(huán)使用壽命，而這一問題也是影響電動汽車行業(yè)發(fā)展的最根本的問題，同樣也是最難以解決的大問題。

1.2　制約電動汽車發(fā)展的技術(shù)問題

在電動汽車的電池選擇中，有時會選擇鋰離子電池，單體鋰離子電池的循環(huán)使用壽命為5 000次，但是將電池進(jìn)行組合后，電池組的壽命只能達(dá)到1 500次左右，不僅如此還需要人工的維護(hù)才能夠達(dá)到，不然循環(huán)次數(shù)則會更少，如果維護(hù)不當(dāng)，或是疏于維護(hù)，那么該電池組的循環(huán)次數(shù)只能達(dá)到200次，甚至幾十次。可以想象，如果一輛電動汽車的電池只充電幾十次就需要換新的電池，對于汽車用戶來說，這將是十分糟糕的體驗，不僅給用戶增加了麻煩而且還提高了汽車的維護(hù)成本，這就使得更少的人選擇電動汽車。對于這種情況，國內(nèi)國外的汽車制造商不斷發(fā)現(xiàn)電池組存在的問題并進(jìn)行更新和改革，使用新技術(shù)提高電池質(zhì)量，管理電池的一致性，試圖實現(xiàn)對電池壽命過短的問題的有效解決。但是，這些手段收效甚微，無法達(dá)到預(yù)期把控目標(biāo)，給汽車電池管理帶來了麻煩。電池管理系統(tǒng)的造價十分昂貴，而在對電池進(jìn)行管理的過程中又會消耗大量的能源，這就違背了節(jié)能的初衷，更何況電池管理的實現(xiàn)程度不高。一些汽車制造商雖然對電動汽車抱有希望，并投入生產(chǎn)，但是電池的壽命問題給汽車制造商帶來了大問題，雖然不斷有新的樣車推出但是無法投入到售賣中，電動汽車真正實現(xiàn)商業(yè)化的發(fā)展還需要時間和技術(shù)的支持。

在電動汽車使用過程中，電池組由于組內(nèi)串聯(lián)的電池之間的電壓失衡問題無法得到高效解決，技術(shù)人員在不斷地配組之后，依然達(dá)不到預(yù)期目標(biāo)，在電池組經(jīng)過若干次充電放電實驗循環(huán)之后，電池之間的電壓又會趨于失衡，導(dǎo)致電池組中的電池受到損害，最后導(dǎo)致電池組失效，損害。在電池組充電放電的過程中，電壓失衡的情況逐漸嚴(yán)重，所采取的電池管理手段失效，電池也隨之失效，這個程度上的電池?zé)o法進(jìn)行有效的電力輸入和輸出，損壞的電池會影響電池組中的其他電池構(gòu)件，導(dǎo)致電池組的溫度升高，使電池組處在電力危險的狀態(tài)下，影響使用壽命和續(xù)航里程。但是，研究者發(fā)現(xiàn)，雖然電池組裝存在著電壓不均衡的問題，但是在對電池組的使用過程中，可以在電池組的外電路上安裝電池均衡器，這種電池均衡器要具有充電和放電功能，在電池外部進(jìn)行均衡改善電池組內(nèi)部電壓穩(wěn)定性的技術(shù)方法能夠更好地解決電池組電壓不穩(wěn)的問題，給電動汽車電池續(xù)航里程和循環(huán)使用壽命的增加提供了可能。

2　當(dāng)前的電池組管理方法

在當(dāng)前的電動汽車電池的管理中，一些汽車企業(yè)不使用電池均衡手段，這些汽車企業(yè)制造的電動汽車普遍采用鉛酸電池組，當(dāng)電池組失效后，對電池組進(jìn)行整組的更換。這也是當(dāng)前對電動汽車電池管理的最普遍的方式，然而這種方式無法解決電動汽車電池所存在的根本問題，更換電池后電池使用壽命問題還是會出現(xiàn)，所以要進(jìn)行周而復(fù)始的更換，十分麻煩。除此之外，一些電動汽車采用電池管理系統(tǒng)BMS (Battery Manage-ment System)對電池進(jìn)行管理，通過對電池組中的每塊電池進(jìn)行檢測，控制電池組的電壓平衡，電池組溫度以及電流等數(shù)據(jù)，在實時的把控中發(fā)現(xiàn)故障，進(jìn)行處理，圖1所示為電動車用電池管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

圖1　電動車用電池管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3　電池均衡技術(shù)

在對電池組的電壓穩(wěn)定性的管理中，電池均衡技術(shù)可以說是最有效且最有發(fā)展前景的技術(shù)手段。上文說過，當(dāng)電池串聯(lián)成電池組之后會產(chǎn)生電池之間的電壓分布不均衡的問題，即便是同一個廠家生產(chǎn)出的統(tǒng)一型號的電池，在進(jìn)行組合后也無法避免電壓不均衡的問題出現(xiàn)。研究者們不斷地對電池均衡技術(shù)進(jìn)行研究和探索。但是由于實驗驗證需要條件復(fù)雜，且實際成功性小，許多科研人員對新的電池均衡技術(shù)的研究還只能是紙上談兵，無法落實到實踐中去，更不能投入到真實的生產(chǎn)當(dāng)中。在電池組的組配中很難通過改變電池制造工藝來提高電池組的電壓穩(wěn)定性和使用壽命，所以在電池管理技術(shù)中，常常通過增加輔助電路來進(jìn)行合適的調(diào)配，力求在此基礎(chǔ)上降低電壓的差值。在對電池的管理工作中，技術(shù)人員將均衡設(shè)備的電能損耗的程度作為電池等級的劃分標(biāo)準(zhǔn)，主要分為低損耗型和純損耗型兩種，其中低損耗型更多的被使用，純耗能型的電壓均衡器通過消耗電壓較高的電池電量，實現(xiàn)電池組的電壓平衡，這種均衡方法只能均衡電池充電時的電壓，不能在電池使用過程中對電池電壓的控制和均衡。這種均衡器的耗能大，溫度高而且效率低并存在著一定的安全隱患，不利于電池的使用。相比之下，低損耗型的均衡器能夠?qū)崿F(xiàn)更高效的均衡，對電能的消耗也比較小，最主要的是在電池的整個使用過程中，無論是電力的輸入階段還是輸出階段都能夠?qū)崿F(xiàn)對電池組電壓的均衡作用，但是這種無損型的電壓均衡器的技術(shù)難度很大，所以還需要科技人員不斷發(fā)展和研究才能夠使用。

4　轉(zhuǎn)移式電池均衡技術(shù)

在對電池的電控制過程中，科學(xué)研究人員們積極探索，研制出了轉(zhuǎn)移式電池均衡技術(shù)，這種技術(shù)手段的使用能夠使得電池組的電壓失衡問題得到高效地解決，在目前階段已經(jīng)達(dá)到了對原有技術(shù)的突破。通過轉(zhuǎn)移式電池均衡技術(shù)對電池組進(jìn)行控制，是一種主動均衡的方法，能夠有效解決電池在充電和放電時所出現(xiàn)的電壓不均衡問題，達(dá)到真正的節(jié)能和新能源使用的目的。轉(zhuǎn)移式電池均衡技術(shù)能夠主動地促進(jìn)電池組內(nèi)電能的轉(zhuǎn)移，使電能在轉(zhuǎn)移的過程中實現(xiàn)電池組的動態(tài)平衡，減少部分電池電壓過高的失衡狀態(tài)。對部分電壓過高的電池電壓進(jìn)行降低，并提高電壓過低的電池的電壓，在一升一降中獲得均衡狀態(tài)。不僅如此，轉(zhuǎn)移式電池均衡技術(shù)可以使電池組在不進(jìn)行電力輸入和輸出的空閑時間，進(jìn)行恢復(fù)，主動進(jìn)行電壓的均衡和調(diào)節(jié)，在下一次使用時就可以從穩(wěn)定狀態(tài)開始，并在此循環(huán)轉(zhuǎn)移電能的均衡模式，使得電池?zé)o論是在使用時還是不使用時都能夠?qū)崿F(xiàn)主動的均衡作用，保障了電池的循環(huán)使用壽命，并增加了電池的續(xù)航里程。轉(zhuǎn)移式電池均衡技術(shù)能夠?qū)㈦娏鬟M(jìn)行傳遞和調(diào)整，主要是根據(jù)電池組中相鄰的電池之間的電壓差來進(jìn)行的，通過降低電壓差的方式來控制電壓的均衡程度。轉(zhuǎn)移式電池均衡技術(shù)能夠?qū)λ褂玫目刂齐娏鞣较?、大小的控制，?yán)格按照電池所需的均衡模式來進(jìn)行調(diào)節(jié)，且不消耗電池中的電能。

轉(zhuǎn)移式電池均衡器安裝也十分方便和科學(xué)，摒棄了對電池的電能消耗，采用并聯(lián)的方式，安裝在電池組的節(jié)點上，電池組中的電池都采用串聯(lián)方式，所以均衡器的并聯(lián)并不影響電池組的放電和充電。并聯(lián)的好處還體現(xiàn)在對不同數(shù)量的電池組的控制，有些電池組中串聯(lián)的電池數(shù)量較多，而轉(zhuǎn)移式電池均衡不受其限制，不因為數(shù)量的多少而增加難度系數(shù)，可以與電池組中的任何節(jié)點相連接。而轉(zhuǎn)移式電池均衡器不使用專業(yè)芯片，減少成本價格，利用普通電子元器件進(jìn)行設(shè)計和開發(fā)。轉(zhuǎn)移式電池均衡技術(shù)通過對相鄰電池之間的電壓差值的判斷來進(jìn)行控制，這也是這項技術(shù)的核心，也正因為這一設(shè)計，使得對電池電壓的均衡得以實現(xiàn)。轉(zhuǎn)移式電池均衡及時在電池外部對電池電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，電池組中的單體電池的電壓和所儲備的電能都能夠得到主動均衡。電池組中相鄰單體電池的電壓差保持在最小值，穩(wěn)定高效。在電池組進(jìn)行充電的過程中，電池均衡技術(shù)能夠?qū)Φ碗妷旱膯误w電池的電流進(jìn)行增加，提高其電壓；在電池組使用過程中，對電池組中的高電壓的單體電池的放電電流進(jìn)行增加，以此降低其電壓。而當(dāng)電池組既不充電也不放電時，就把電池組中電壓較高的電池所儲備的電能轉(zhuǎn)移到電壓較低的電池中去，在動態(tài)穩(wěn)定中實現(xiàn)對電壓差的自動調(diào)節(jié)，恢復(fù)電池電壓的均衡。這種主動的，自動化的電池均衡控制手段，能夠?qū)﹄姵貎?nèi)部電壓、電流以及電能儲備進(jìn)行高效調(diào)節(jié)，使電池組內(nèi)單個電池的電壓差值得到調(diào)節(jié)，電池組的循環(huán)使用壽命得到增加，很大程度上解決電動汽車中的電池循環(huán)使用壽命過短的問題。

經(jīng)過研究者的實驗得出結(jié)論，在電池組上連接轉(zhuǎn)移式電池均衡器，無論是鋰電池還是鎳氫電池，在充電、放電的反復(fù)循環(huán)實驗中，電池組內(nèi)部的電壓差值一直保持在最小，電池組的電壓能夠得到有效的控制。而并聯(lián)在電池組上的均衡器受電池組的影響也很小，在充電放電過程中基本上不會發(fā)生大幅度的溫度升高，溫度保持在合理的范圍內(nèi)。即便是采用了較大的充電、放電電流，電池均衡器的溫度也只是進(jìn)行的短時間的升溫，并能夠在電流輸入停止后恢復(fù)到初始溫度，不影響實驗的繼續(xù)進(jìn)行。一般情況來說，在電動汽車的電池使用過程中，其充電、放電時間相對于靜止時間來說是很少的，轉(zhuǎn)移式電池均衡技術(shù)能夠保證電池在充電放電以及靜止的狀態(tài)下都能夠得到均衡和調(diào)控。

5　結(jié)束語

綜上所述，在電動汽車的發(fā)展過程中，節(jié)能和新能源的使用是其最初的理念核心，然而汽車制造商真正將電動汽車或混合動能汽車投入到市場中時，取得的銷售效果是很不理想的，這種不理想效果的產(chǎn)生有多種原因，而最重要的原因則是其內(nèi)在因素決定的。電動汽車所使用的電池組的循環(huán)使用壽命有限，且電動汽車的造價相對較高，導(dǎo)致汽車用戶在選擇時更偏向于普通汽車。如何有效解決電池組的電壓失衡問題，從而提高電池組的使用壽命是研究者們不斷探究的重要話題。轉(zhuǎn)移式電池均衡技術(shù)的出現(xiàn)，為提高電池組的續(xù)航里程和使用壽命提供了技術(shù)支持。該技術(shù)通過外部并聯(lián)的方式對電池組內(nèi)部電池之間的電壓差進(jìn)行控制，實現(xiàn)對電池組電壓的均衡，從而達(dá)到預(yù)期目的。這種自動電壓均衡技術(shù)的使用，給電動汽車行業(yè)的發(fā)展帶來了新的前景和希望。

參考文獻(xiàn)：

[1]張輝,雷艷婷,王換民.電動汽車LCC型無線充電電路特性分析[J].電氣傳動，2017 , 47 (8) :63-66.

[2]蘇舒,林湘寧,張宏志,等.電動汽車充電需求時空分布動態(tài)演化模型[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報， 2017，37(16)：4618-4629.

[3]陳顯東,曹太強(qiáng),黎凡森.電動汽車中新型雙向DC/DC變換器建模分析[J]. 電測與儀表，2017 , 54 (16) :123-128.

[4]李惠玲,白曉民.電動汽車充電對配電網(wǎng)的影響及對策[J]. 電力系統(tǒng)自動化，2011 , 35 (17) :38-43.

[5]郝鳳霞,王天敏,錢楓莉.分時租賃能否為電動汽車的發(fā)展突破瓶頸——基于法國Autolib項目的分析[J]. 當(dāng)代經(jīng)濟(jì)，2017，(22)：25-26.

[6]鄭師虔,田晉躍.電動汽車基于自抗擾的雙環(huán)控制系統(tǒng)研究[J]. 重慶理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué))，2017，31(08)：37-43.

[7]陳立,盧雪梅,方明杰,等.電動汽車動力鋰電池組電源管理系統(tǒng)研究[C].第13屆中國系統(tǒng)仿真技術(shù)及其應(yīng)用學(xué)術(shù)年會論文集，2011：1051-1053.

[8]馬軍,李愛魁,杜濤,等.電動汽車動力電池配組工藝研究進(jìn)展[C].第十四屆中國科協(xié)年會第19分會場：電動汽車充放電技術(shù)研討會論文集，2012.

[9]周格,王怡,張杰男,等.鋰離子電池的失效分析[C].中國化學(xué)會第30屆學(xué)術(shù)年會摘要集-第三十分會：化學(xué)電源，2016.