纯电动汽车动力电池充放电均衡控制的研究

纯电动汽车动力电池充放电均衡控制的研究

余成龙,涂成林

安庆职业技术学院   

摘要：电动汽车的电池性能好坏关系到电动汽车性能的好坏，在电动汽车的行驶过程中由于电池组合中的单体电池差异，可能导致电动汽车动力不足，使用过程中造成不利影响，严重影响到使用的舒适性与安全性。针对以上情况需要进行电动汽车的动力电池均衡化处理。本文围绕当前电动汽车动力电池放电的不均衡失控情况进行阐述，结合均衡方式分析实现该技术的途径，集中分析均衡内部分类装置使用范围，实现对均衡力度的深入研究，为当前的电动汽车动力电池使用创新奠定良好基础。

关键词：电动汽车；动力电池；均衡

电动汽车在运行的过程中，主要依靠大量电池来进行动力支撑，为电动汽车提供动力的过程，这个电池也被叫做动力电池，由多节单独电池组成，使用串联的方式形成大型电源供应装置。以17款比亚迪E5纯电动汽车为例，动力电池包采用磷酸铁锂电池，分13个模组，共198节单体电池串联组成，单体电池标称电压3.2V，电池包标称电压633.6V，总容量75Ah。实际运用过程中由于动力电池内部差异性，导致外界反应程度上存在缺陷，会为高效运转带来明显的负面影响，加剧电池损坏。在电量耗光之后，如果不能对于性能较差电池进行更换研究，就会导致电池存在使用危害，可能造成安全事故。

1. 动力电池的均衡技术

当前全球化背景下环境问题和能源危机越发严重，加上各个国家陆续出台关于禁售燃油的政策，促使了人们对新能源进行积极开发，电动汽车也因此具备优良的低碳环保性能，被当前的消费者们广泛认可。动力电池是电动汽车的动力源，电池品质直接关系到整车的安全性、耐久性与动力性等。锂电池具备能量密度高、寿命长和一致性好、可靠性高的优势，已经成为电动汽车动力电池的首选，目前在电动汽车的领域内受到人们的广泛认可。车用锂离子电池通常以串联、并联、混联的方式组成用以满足整车功率。但是由于制造工艺上的差异，导致单体电池间存在电压、SOC、容量、内阻等的差异，这种差异会随着循环次数的增大，加速电池的老化、性能衰减，甚至产生热失控的风险。因此电池系统中的均衡管理可以减少这种不一致性能，所以均衡管理很重要。电池管理系统中通过均衡控制实现锂离子电池在日常使用过程中的差异均衡，将差异保持在设定阈值之内，确保每个电芯自身容量可以达到100%，保证电池可用容量，用以缓解电池老化造成的容量差异[1]。

电池均衡一般分为主动均衡与被动均衡两种，被动均衡也叫做能量耗散型均衡，是通过耗能元件将单体多余电量转化为热能后消耗，用来改善电池单体间的电压和能量的不一致，这一拓扑形式主要是开关电阻式。这种形式可使用可控开关方式来决定耗能元件是否接入电路，接入电路的均衡电阻可通过生热消耗一部分电池能量，均衡电阻耗散，这一原理符合焦耳定律。主动均衡是能量转移性均衡，是通过不同的电路拓扑结构与控制手段实现不同单体之间的能量传递，另外，模组间的能量传递也可以实现。主动均衡在能量的利用率和均衡效益方面都优于被动均衡，但是目标主动均衡的使用缺陷体现在体积大、不易集成、成本高等。未来的发展应朝着低成本、体积小、易集成、可靠性高的拓扑结构方面转型。目前主动均衡电路拓扑结构包含基于电容和电感等方式，区别主要在于能量转换和缓冲器件之间的差异。

2. 均衡方法

2.1集中均衡

集中均衡是将动力电池内部所有电池均衡电路设置在一个均衡装置中，将所有的电路集中起来，成为一个组合电池，均衡装置关键是DC-DC转换器，该转换器的由总体控制装置、效应管道、高压变频装置组成，根据集中均衡的方式转化使用，转化器有一个总输入口、n个输出接口。一般情况下进入电动汽车的外部储电电源有三种，分别是充电装置、能源电池、驱动监控装置，当外界电源通过接口向动力电池输入电源的时候，Us增加，动力电池运行并且持续向外做出电源供应的时候，Us减少。该装置的内部电源输出接口有n个，所以动力电池内部也有n个电池[2]。外接入电源向电源输电的时候，产生两组输入电流i，当i电流在经过所有的组合电池的时候就可以判断均衡性能，组合电池的电压相互均衡则处于Us/n状态，此时输出电源不需要电源输入，但是组合电池失衡状态下，就必须输入电流，直到动力电池电压达到均衡状态实现均衡控制。

2.2分散均衡

分散均衡是动力电池内部的n个电池均衡电路设置在n-1个均衡装置之内，这种均衡装置实际上是具备复合传动的转化器，两个均衡装置可以实现三个组合电池的相互均衡，那么n-1个均衡装置就可以实现n个组合电池的均衡。使用分散均衡电路主要有非分隔式与分隔式均衡装置。

2.3 对比分析

通过对分散装置与集中装置两种不同的均衡形式来看，集中均衡电路能够在相同规格的组合电池中发挥重要的作用，但是组合电池总数不能过度，否则会导致单一均衡装置出现超负荷运转作业现象，导致装置损坏，均衡性下降。另外集中均衡内部进行的电路输入与输出较多，但是规模大致上相同，掌握相对方便，加上均衡装置以及组合电池所占据空间体积较小，质量也比较轻便，导致投入运行过程的成本比较定。另外集中均衡的实现也存在一定的缺陷，在转化装置过程中由总体控制装置、效应管道、高压变频仪组成，如果任何一个环节存在损坏，就必须进行全盘更换，导致均衡装置的维修与更换成本增加

[3]。

分散均衡装置更适合不同规格的复合组合电池组，并且面对大量组合电池的时候产生适应性，适合大规模作业。另外分散均衡与集中均衡的线束方式不同，分散装置能够大幅度减少线束数量，除此以外，分散均衡也存在缺陷，在装置运行的过程中，组合电池单位之间只能测量一组电池，并且要在每一组电池上标记，安装微型监控杆装置，导致整体分散均衡装置造价过多。这种装置的体积大、质量重，一旦出现损坏或者是异常运转，只需要维修损坏部分的均衡装置即可，维修成本低。

结语：

综上，均衡装置是一种能够对组合电池进行单向或者是双向作用的电源，能够调整电池性能的差异。如果组合电池的电压大于均衡值，就不能进行输电作用，必须使用均衡装置检测负荷情况，降低电压。此外均衡装置承受电压量大，传输的电压也会增大，均衡装置的成本支出也会增加。因此建议重视均衡力度的控制，确保电流输入在合理的区间范围内。

参考文献：

[1]杨依楠, 高力, 宋晋. 电动汽车动力电池均衡控制研究[J]. 汽车实用技术, 2021, 46(13):3-3.

[2]汪承茂. 可增加电动汽车动力电池循环次数的均衡充电控制系统的研究[J]. 电气开关, 2022, 60(1):3-3.

[3]赖沛清. 电动汽车动力电池应用的安全性提升策略研究[J]. 低碳世界, 2020, 010(004):52-54.

项目基金：安徽省教学示范课项目：2020SJJXSFK1618；

大学生科技创新项目：XJKC202149；

《职业教育提质培优行动计划（2020-2023年）》任务（项目）——新能源汽车技术教师教学创新团队；

2021安徽省质量工程项目：2021gkszgg046。