電動汽車動力電池均衡方法研究

張菲

摘 要：電池性能的好壞性關(guān)系到電動汽車動力的性能的好壞，在電動汽車行駛過程中，常常由于電池組合中的單體電池差異性使得電動汽車的動力不足，在使用過程中造成不好的影響，嚴(yán)重影響使用者的舒適性享受，針對上述情況，進(jìn)行電動汽車動力電池均衡化刻不容緩。本文首先對當(dāng)前電動汽車動力電池的均衡中存在的問題進(jìn)行闡述，結(jié)合均衡方式與相關(guān)技術(shù)對實(shí)現(xiàn)合理均衡作出一定的反應(yīng)，集中分析了均衡內(nèi)部分類裝置的適用范圍，最終對均衡力度進(jìn)行深入研究，從而得出進(jìn)行電池均衡能夠?qū)㈦妱悠噭恿﹄姵亟M之間的差異降低，還能對其重新配置調(diào)度，提升電池的電流容積。

關(guān)鍵詞：電動汽車 動力電池 均衡方法

Research on the Balance Method of Electric Vehicle Power Batteries

Zhang Fei

Abstract：The quality of battery performance is related to the power performance of electric vehicles. During the driving process of electric vehicles，the power of electric vehicles is often insufficient due to the difference of the single batteries in the battery combination，which causes problems during use. The positive impact seriously affects the comfort of users. In view of the above situation，it is imperative to balance the power batteries of electric vehicles. This article first elaborates the existing problems in the balance of the current electric vehicle power battery，combining with the balance method and relating technologies to make a certain response to the realization of a reasonable balance，concentrates analysis of the scope of application of the balance internal classification device，and finally conducts an in-depth study of the balance strength. Therefore，it can be concluded that battery balancing can reduce the difference between the power battery packs of electric vehicles，and can also reconfigure and dispatch them to increase the current capacity of the battery.

Key words：electric vehicle，power battery，equalization method

1 引言

電動汽車在運(yùn)行過程要依靠大量電池進(jìn)行動力支撐，為電動汽車提供動力組合電池被稱為動力電池，動力電池通常是將許多單獨(dú)電池進(jìn)行組合，經(jīng)過串聯(lián)手法形成的大型電源供應(yīng)裝置，在日常生活中，最為常見的動力電池通常是由280個電壓在1.2V的單獨(dú)氫電池構(gòu)成，其內(nèi)部電量容積為336V。在使用動力電池的過程中，由于內(nèi)部組合電池存在差異性，并且對外界反應(yīng)程度不統(tǒng)一，因此在使用過程隨著使用時間的增加，會導(dǎo)致組合電池之間的差異性更加顯著，不能在進(jìn)行高效的運(yùn)轉(zhuǎn)，甚至還會對周圍電池造成損壞。在電量耗光后如果不對其中性能較差的電池進(jìn)行更換或維修，就會導(dǎo)致該種電池繼續(xù)存在于動力電池中，嚴(yán)重危害整體電池的使用周期，還可能會在使用過程中內(nèi)部溫度的升高作用下，產(chǎn)生大量的熱能使得電池爆炸，造成安全事故的發(fā)生。因此進(jìn)行均衡方式對動力電池的差異進(jìn)行應(yīng)對就顯得十分重要。

2 均衡方法

在動力電池中要探查組合電池的差異，首先要對電池進(jìn)行荷電狀況的檢查，電池荷電狀況時電池功能差異的體現(xiàn)，也是進(jìn)行均衡處理最為高效的途徑。但在對電池的荷電狀況進(jìn)行檢測時，荷電狀況會隨著周圍環(huán)境的溫度、電池放電速率以及復(fù)合次數(shù)影響，所得出的數(shù)值與實(shí)際存在較大出入。并且要進(jìn)行每一個動力電池的荷電狀況檢測，工作量較大，進(jìn)行電池檢測、維修、更換的成本較高，缺乏實(shí)用性。針對上述情況，應(yīng)當(dāng)引入均衡技術(shù)進(jìn)行動力電池檢測，能夠大幅度優(yōu)化檢測流程。電池內(nèi)部存在的均衡電壓能夠在一定程度上壓制電池的荷電狀況，使用分類均衡能夠有效提高進(jìn)行電池均衡的效率，并且減少了成本投入。

2.1 集中均衡方法

集中均衡就是將動力電池內(nèi)部的所有電池的均衡電路設(shè)置在一個均衡裝置中，其均衡框架示意如下圖1所示。根據(jù)圖中所展示結(jié)構(gòu)，E1、E2、……、En都是存在與同一個動力電池中的組合電池。均衡裝置的關(guān)鍵是位于正中間的DC-DC轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)化器是由總體控制裝置、效應(yīng)管道Q以及高壓變頻儀T組成，根據(jù)集中均衡的方式進(jìn)行轉(zhuǎn)化器運(yùn)作，轉(zhuǎn)化器有一個總輸入接口以及n個輸出接口。

一般來說，進(jìn)行電動汽車的外部儲電的外界電源有三種，即充電裝置、能源電池以及驅(qū)動監(jiān)控裝置。當(dāng)外界電源通過接口向動力電池進(jìn)行電源輸入時，Us會增加;當(dāng)動力電池運(yùn)行并持續(xù)向外作出電源供應(yīng)時，Us會減少。由于該裝置的內(nèi)部電源輸出接口有n個，因此動力電池內(nèi)部存在n個電池，當(dāng)外接電源向電池進(jìn)行電源輸入時，就會產(chǎn)生兩組輸入電流i，當(dāng)i電流經(jīng)過所有組合電池時，就可以進(jìn)行均衡判定。當(dāng)組合電池的電壓相互均衡，即Us/n，得出輸出電源不需要進(jìn)行電源輸入;當(dāng)組合電池的電壓不均衡時，就必須進(jìn)行電流輸入，知道動力電池的電壓達(dá)到均衡狀況，就可以實(shí)現(xiàn)均衡控制。

2.2 分散均衡方法

分散均衡就是將動力電池內(nèi)部的n個電池的均衡電路設(shè)置在n-1個均衡裝置中，其分散均衡框架流程如圖2所示，圖中的分散均衡裝置實(shí)質(zhì)上是一個具備復(fù)合傳動的轉(zhuǎn)化器，根據(jù)組合電池E1與E2之間使用1號均衡裝置，就能實(shí)現(xiàn)E1與E2相互均衡;在組合電池E2與E3之間使用2號均衡裝置，能夠同時實(shí)現(xiàn)E1與E3、E2與E3均衡的效果。由此得出，使用兩個均衡裝置能夠?qū)崿F(xiàn)三個組合電池的相互均衡，得出使用n-1個均衡裝置就能實(shí)現(xiàn)n個組合電池的均衡。當(dāng)前采用分散均衡電路主要有兩種，一是非分隔式均衡裝置;二是分隔式均衡裝置。

2.3 集中均衡與分散均衡的比較分析

通過上述對集中均衡以及分散均衡兩種均衡方式的闡述后，可以得出，集中均衡電路能夠在相同規(guī)格的組合電池中發(fā)揮重要作用，但是組合電池的總體數(shù)量不能過多，否會會導(dǎo)致單一均衡裝置超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)作業(yè)，容易造成均衡裝置的損壞，均衡檢測準(zhǔn)確性下降。除此之外，集中均衡方法內(nèi)部所進(jìn)行的電路輸出、輸入較多，但是由于其規(guī)格大致相同，因此對其進(jìn)行很好把控，再加上均衡裝置以及其他組合電池的體積較小、質(zhì)量較輕，使得運(yùn)行過程中的成本投入較低。最后，集中均衡也存在一定的缺陷，就是轉(zhuǎn)化裝置是由總體控制裝置、效應(yīng)管道Q以及高壓變頻儀T組成，如果任意環(huán)節(jié)出現(xiàn)設(shè)備損壞，就要求必須進(jìn)行全盤更換，導(dǎo)致均衡裝置的維修、更換成本增加。

在分散均衡中，該種方式更加契合不同規(guī)格的組合電池，并且能夠在面對大量組合電池時產(chǎn)生適應(yīng)性，適合大規(guī)模作業(yè)。此外，分散均衡與集中均衡在線束的數(shù)量限制方面大為不同，分散均衡裝置能夠大幅度減少線束的數(shù)量。除此之外，分散均衡也存在嚴(yán)重的缺陷，由于該裝置在運(yùn)行過程中組合電池單位之間的均衡裝置只能測量一組電池，并且要在每一組電池上記性微型監(jiān)控桿裝置的安裝，導(dǎo)致整體分散均衡裝置的造價成本過高。但是，該種均衡裝置的體型較大，質(zhì)量重。且如果均衡裝置出現(xiàn)損壞或者異常運(yùn)轉(zhuǎn)時，只需對損壞的均衡裝置進(jìn)行維修，維修成本較低。

3 均衡力度研究

3.1 均衡力度

均衡裝置是一種能夠?qū)M合電池進(jìn)行單向或者雙向作用的電源，能夠?qū)﹄姵匦阅艿牟町惼鸬轿⑿〉恼{(diào)度。當(dāng)組合電池的電壓大于均衡值時，就不能進(jìn)行輸電作用，必須使用均衡裝置進(jìn)行荷電狀況的檢測，實(shí)現(xiàn)降低電壓的目的。此外，均衡裝置所承受的電源量越大，就會在傳輸過程中的電源輸出較大，但是會大大提升該均衡裝置的成本支出。根據(jù)當(dāng)前我國對于均衡裝置的電流評定標(biāo)準(zhǔn)來看，組合電池的電流應(yīng)當(dāng)是動力電池的0.05倍或者0.1倍，在此區(qū)間內(nèi)是比較合適的。

3.2 均衡結(jié)果

組合電池的內(nèi)部差異會影響電動汽車的運(yùn)行效率與安全性，因此為了減少電池荷電狀況的異常，采用均衡裝置將組合電池進(jìn)行連接，改善電池的性能，增長電池的使用周期。例如對28組12Ah、336V的鎳氫組合電池進(jìn)行電源輸出，經(jīng)過測量和得出電壓差異值低于0.05V。此外，將該組合電池的電壓降低到電池荷電狀況的10%，將此范圍內(nèi)的所有組合電池進(jìn)行對比，就可以得出組合電池的均衡前后電壓差異指數(shù)為50mA，說明均衡效果顯著。再者，組合電池的均衡前電壓小于均衡后的電壓，并且動力電池的容量上升49Ahs，同比增加16%。得出如果上述組合電池不進(jìn)行均衡處理，就會導(dǎo)致電池差異性越發(fā)嚴(yán)重，使得動力電池的輸出功率大大降低。

4 結(jié)語

本文就當(dāng)前電動汽車動力電池的均衡中存在的問題進(jìn)行闡述，并使用上述均衡方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將12Ah、336V的鎳氫組合電池采用集中均衡與分散均衡的方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，根據(jù)結(jié)果所得的電壓差異都小于0.05V，符合均衡檢測的標(biāo)準(zhǔn)。從另一方面說明采用均衡方式解決組合電池之間額不平衡差異是十分有效的。但是如果在進(jìn)行解決的過程中，由于組合電池的數(shù)目較大，導(dǎo)致動力電池的內(nèi)部差異過大，此時應(yīng)當(dāng)將組合電池的規(guī)格、體積、質(zhì)量進(jìn)行統(tǒng)一，加設(shè)檢測節(jié)點(diǎn)，及時尋找出其中存在問題的組合電池，能夠在一定程度彌補(bǔ)均衡方式的不足之處。

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