電動汽車磷酸鐵鋰電池均衡管理策略綜述

侯湘怡

摘要：電動汽車動力電池組通過將單體串并聯(lián)達(dá)到所需電壓和容量的要求，而單體電池在生產(chǎn)、使用過程中的差異性將導(dǎo)致整個(gè)電池包的容量降低、循環(huán)使用壽命衰減。本文分析了導(dǎo)致動力電池不一致性的影響因素，并列舉了兩種實(shí)際應(yīng)用均衡策略，對策略的優(yōu)劣與發(fā)展趨勢做出了評價(jià)。

關(guān)鍵詞：動力電池;不一致性;均衡策略;評價(jià)

0? 引言

鋰電池是用金屬鋰作為負(fù)極活性物質(zhì)的電池的總稱。目前，因?yàn)殇囯姵卦诒饶芰亢捅裙β市阅芊矫娑季哂休^大的優(yōu)勢，所以有比較好的發(fā)展前景。以磷酸鐵鋰電池（LiFePO4）為例，它有制備的原料來源廣泛、價(jià)格低廉、無毒無污染、安全性能好、充放電比較平穩(wěn)、循環(huán)使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)前被新能源汽車行業(yè)竟相研發(fā)。由于單體磷酸鐵鋰電池的標(biāo)稱電壓為3.2V，無法滿足電動汽車的動力需求，需要將若干個(gè)單體串聯(lián)使用，所需要的單體數(shù)量越多，電池的不一致性就越明顯，并且隨著電池組循環(huán)使用次數(shù)的增加及充放電電流、溫度、內(nèi)阻、自放電率等因素的影響，單體電池間的不一致性池以及荷電狀態(tài)SOC（state of charge）不一致性逐漸加大。

電池組須盡可能地保證在充放電過程中單體電池電壓和電流在允許范圍內(nèi)，以LiFePO4電池為例，單體電池工作端電壓范圍通常約為2.8～4V。如果電池組在充電的過程中出現(xiàn)了過充，不僅會降低電池組的容量，而且會導(dǎo)致電池內(nèi)部氣壓過大造成鼓包，提前報(bào)廢;在放電過程中出現(xiàn)了過放，也會影響電池的使用壽命。因此需要過充、過放保護(hù)電路來均衡電池組的電壓，最大限度的延長電池的使用壽命。

1? 電池不一致性的影響因素

1.1 電池生產(chǎn)制作工藝限制

電池在初始生產(chǎn)過程中材質(zhì)分布的不均性及制作工藝的繁雜性導(dǎo)致單體電池的不一致性，如電池正負(fù)極板的質(zhì)量、厚度、面積不完全一致;電解液的質(zhì)量和密度會影響電池的自放電率及容量。并且電池制作工藝復(fù)雜，隨著工藝環(huán)節(jié)數(shù)量的增加，電池的不一致性就越明顯。工藝流程如圖1所示。

1.2 電池組中單體的自放電率不一致

電池在靜置狀態(tài)會產(chǎn)生自放電的現(xiàn)象，而電池所處的環(huán)境及不同的使用工況導(dǎo)致每個(gè)單體的自放電的速度都是不一致的，所以每節(jié)單體容量的衰減程度也是不一樣的，那么在電池組充電的過程中容量小的會先充滿，但充電并未終止，則容量小的單體就會處于過充狀態(tài)，導(dǎo)致電池容量減小;在放電過程中容量小的單體又會先放完電，而放電并未終止，則容量小的單體就會處于過放狀態(tài)，電池的正負(fù)極的活性物質(zhì)恢復(fù)困難，電池的容量降低。久而久之會影響整個(gè)電池組的循環(huán)使用壽命。

1.3 使用過程中，電阻、溫度、充放電效率會放大單體的不一致性

電池前期制作過程中，電池電解液的雜質(zhì)的多少及正負(fù)極的焊接質(zhì)量會影響電池的內(nèi)阻，而在使用過程中，內(nèi)阻大的電池能耗高，產(chǎn)生的熱量也大，可能會導(dǎo)致電池過溫的現(xiàn)象，充放電效率也會降低。隨著電池使用次數(shù)得增加，就會放大單體的不一致性。

綜上所述，影響鋰離子電池的不一致性客觀因素很多也無法避免，生產(chǎn)制作時(shí)應(yīng)提升工藝水平加強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)。本文主要從使用的角度出發(fā)，采取有效的均衡策略對電池的充放電進(jìn)行智能化管理，以求達(dá)到延長電池的循環(huán)使用次數(shù)和提高電池容量的目的。近年來，均衡管理策略多種多樣，在均衡領(lǐng)域都有自己的優(yōu)勢，但也有難以逾越的技術(shù)問題導(dǎo)致均衡能力受限。

2? 均衡電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在電池組的基礎(chǔ)上加入均衡電路就是為了平衡電池組中單體電池的容量和能量差異，提高電池組的能量利用率，能夠很好的平衡單體之間的荷電狀態(tài)。目前均衡電路的分類主要分為能量耗散型和能量非耗散型。

①能量耗散型，如圖2所示，主要通過控制系統(tǒng)檢測電池組中能量較高的單體電池，控制開關(guān)K的通斷，利用其旁路電阻將多余的電能轉(zhuǎn)化成熱能消耗，以期達(dá)到電池組能量狀態(tài)的一致性。能量耗散型的優(yōu)點(diǎn)就是電路結(jié)構(gòu)控制和電路比較簡單，成本低廉，但是在均衡的過程中電阻產(chǎn)生大量的熱能，不僅會消耗電池組的電能，而且也會加大電池管理系統(tǒng)（簡稱BMS，Battery Managements System）中熱管理的負(fù)擔(dān)，系統(tǒng)的可靠性也會降低，因此能量耗散型的均衡策略應(yīng)用就會受限，對于大容量、大功率的電池組并不是適用，一般搭載在容量較小或者容量較小的電池組。

②能量非耗散型均，本質(zhì)上均是利用儲能元件和均衡旁路構(gòu)建能量傳遞通道，將其從能量較高電池直接或間接轉(zhuǎn)移至能量較低的電池。儲能元件以電容為例，如圖3所示。開關(guān)電容法是目前常用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，控制系統(tǒng)通過檢測單體的能量狀態(tài)，能量偏高的單體和能量偏低的單體的開關(guān)接通，能量通過電容組進(jìn)行迅速傳遞，均衡效率高，但是開關(guān)器件較多且當(dāng)相鄰蓄電池間電壓差較小時(shí)其達(dá)到均衡需要很長時(shí)間。

3? 結(jié)語

目前，對于BMS均衡電路的設(shè)計(jì)基本上都是根據(jù)電動汽車的實(shí)際需要，能量非耗散型運(yùn)用廣泛，均衡過程中應(yīng)該靈活度高，控制模塊簡易化，均衡電路應(yīng)適用于汽車各種工況，最后根據(jù)技術(shù)精度的要求和制造成本的考慮，采用相應(yīng)的控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)在線及離線的電池管理，來確保電池能夠安全和可靠地運(yùn)行。如何實(shí)現(xiàn)大電流均衡，最大限度的降低對鋰電池的損傷仍是研究難點(diǎn)，還需要努力研究解決。

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