汽車(chē)動(dòng)力電池組的參數與特性分析、均衡管理

要溫升、內壓過(guò)高，就伴隨副反應，電池容量就會(huì )減少，而副反應具有慣性，發(fā)展到一定程度，可能在充電中也可能在充電結束后的短時(shí)間里使電池內部物質(zhì)燃燒，導致電池報廢.過(guò)充電加速電池容量衰減、導致電池失效，百害無(wú)一利.

　　3放電

　　恒流放電時(shí)，電壓有一陡然跌落，主要由歐姆電阻造成壓降，這電阻包括連接單體電極的導線(xiàn)電阻和觸點(diǎn)電阻，電壓繼續下降，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間以后，到達新的電化學(xué)平衡，進(jìn)入放電平臺期，電壓變化不明顯，放熱反應加電阻釋熱使電池溫升較高.放電電壓曲線(xiàn)近似單體放電曲線(xiàn)，持續放電，電壓曲線(xiàn)進(jìn)入馬尾下降階段，極化阻抗增大，輸出效率降低，熱耗增大，接近終止電壓時(shí)停止放電.

　　上述過(guò)程用恒流特性模擬負載電機，實(shí)際汽車(chē)在行使中，電機輸出功率的變化很復雜，電流雙極性變化，即使勻速行使，路面顛簸、微小轉向都使輸出功率實(shí)時(shí)變化，在短時(shí)間段里，可以用恒流放電模擬分析，總之大的方向是放電，偶爾有不規則的零脈沖（無(wú)逆變功能）或負脈沖（有逆變功能，電池被充電）出現.

　　4過(guò)放電

　　考慮組內單體電池，必有相對的過(guò)放電情況.在放電后期，電壓接近馬尾曲線(xiàn)，組中單體容量正態(tài)分布，電壓分布很復雜，容量最小的單體電壓跌落得也就最早、最快，若這時(shí)其它電池電壓降低不是很明顯，小容量單體電壓跌落情況被掩蓋，已經(jīng)被過(guò)度放電

　　觀(guān)察單體過(guò)放情況，進(jìn)入馬尾曲線(xiàn)以后，若電流持續較大，電壓迅速降低，并很快反向，這時(shí)電池被反方向充電，或稱(chēng)被動(dòng)放電，活性物質(zhì)結構被破壞，另一種副反應很快發(fā)生，過(guò)一段時(shí)間，電池活性材料接近全部喪失，等效為一個(gè)無(wú)源電阻，電壓為負值，數值上等于反充電流在等效電阻上產(chǎn)生的壓降，停止放電后，原電池電動(dòng)勢消失，電壓不能恢復，因此，一次反充電足以使電池報廢.

　　組中單體過(guò)放容易發(fā)生不易控制，電機控制器的限壓限流辦法都不起有效作用，電池輸出功率的變化產(chǎn)生的歐姆、極化電壓波動(dòng)足以淹沒(méi)單體電壓跌落信號，組電壓監視失去意義.

　　5經(jīng)濟速度與續駛里程

　　傳統汽車(chē)以經(jīng)濟速度行駛耗油最省，用百公里耗油量評價(jià)，經(jīng)濟速度由發(fā)動(dòng)機效率、動(dòng)力傳動(dòng)效率和摩擦力決定，電動(dòng)汽車(chē)也有經(jīng)濟速度，由電池使用效率、電動(dòng)機和控制器效率、摩擦阻力決定，經(jīng)濟速度與電池組內阻有直接關(guān)系，在一定范圍內變化.以經(jīng)濟速度行駛，電動(dòng)汽車(chē)能達到最大的續駛里程.固定整車(chē)和電動(dòng)機，續駛里程可以考察動(dòng)力電池組的能量供給能力，經(jīng)濟速度反映了電池組功率提供能力，電動(dòng)汽車(chē)希望動(dòng)力電池組能提供大容量和高功率.

　　6加速與爬坡

　　電動(dòng)汽車(chē)在加速和爬坡時(shí)輸出功率大，電池組放電電流大，電壓跌落幅度也大，輸出效率下降，歐姆損耗增大，另一方面，電壓下降也會(huì )導致電機效率降低，工作條件惡劣，可能發(fā)生過(guò)強度放電，即超出電池電流輸出能力，此時(shí)電池組處于過(guò)載使用.避免過(guò)載的措施：使用功率較大的電池組；限電壓、電流、功率或其組合限制行使；平穩行使，限制加速度.

　　7剎車(chē)制動(dòng)與逆變

　　只要加速度為負值，傳動(dòng)機構就可以帶動(dòng)發(fā)電機發(fā)電，回饋電能可以給電池組充電，將機械動(dòng)能轉化為化學(xué)能存儲使用，瞬間逆變功率與輸出功率屬同一數量級，取決于發(fā)電機逆變效率，加速時(shí)有過(guò)強度放電，逆變時(shí)就有可能存在過(guò)強度充電.

　　8先進(jìn)的電池組使用方法

　　過(guò)充過(guò)放對電池的損害都是致命的，不同之處僅在于過(guò)充產(chǎn)生大量氣體、易自燃和爆炸、表象劇烈，過(guò)放外觀(guān)變化和緩、但失效速度卻極快，在正常使用中都應嚴格避免出現

　　鑒于相同原材料、同批次的單體電池，容量、內阻、壽命等性能參數符合正態(tài)分布并且離散程度有限；鑒于在相同的電流激勵條件下，單體電池電壓變化過(guò)程的一致性漸進(jìn)逼近其它性能參數的一致性，其中最重要的參數是荷電程度；鑒于電池在未曾歷經(jīng)過(guò)過(guò)充、過(guò)放的損害，在其生命期里不容易提前失效，可以推斷，如果在充放電過(guò)程中通過(guò)能量變換的辦法實(shí)施電池組中單體電壓的均衡控制，使單體電壓趨于一致，那么單體的相對荷電程度也趨于一致，可以實(shí)現同時(shí)充足電、也同時(shí)放空電，進(jìn)而，電池組的壽命應接近于單體電池的平均壽命.

　　基于均衡控制，可進(jìn)一步研究先進(jìn)的充電方法.目前的限壓限流方法，無(wú)論在充電速度還是效果上都不夠科學(xué)，充電初期，極化效應并不激烈，電池的電流接受能力最強，充電電流還應該加大，恒流后期電池溫升、內壓增大，電流已經(jīng)超出電池接受能力，電流應該減小，同時(shí)，極化作用、趨膚效應降低了材料反應的活性，可利用反向電流脈沖肖弱這些不利影響.

　　動(dòng)力電池組的均衡控制和管理

　　要實(shí)現單體電壓的均衡控制，均衡器是電池管理系統的核心部件，離開(kāi)均衡器，管理系統即使得到了電池組測量數據，也無(wú)所作為，也就無(wú)所謂管理.隨著(zhù)電動(dòng)汽車(chē)技術(shù)的不斷發(fā)展，電池組均衡裝置的需求已經(jīng)迫在眉睫，已有許多研究，國外已有報道，如德國KaiserseLautern大學(xué)，日本本田公司等，國內技術(shù)尚未成熟.

　　1斷流與分流

　　均衡器按能量回路處理的方式分斷流和分流，斷流指在監控單體電壓變化的基礎上，在滿(mǎn)足一定條件時(shí)把單體電池的充電或負載回路斷開(kāi)，通過(guò)機械觸點(diǎn)或電力電子部件組成開(kāi)關(guān)矩陣，動(dòng)態(tài)改變電池組內單體之間的連接結構，可能的斷流部件有機械、繼電器、半導體.電動(dòng)汽車(chē)用電池組功率很大，瞬時(shí)電流可達數百安培而且雙極性變化，在考慮可行性、性?xún)r(jià)比、實(shí)用性、可靠性等諸多因素，斷流的實(shí)施難度極大，不適合在電動(dòng)汽車(chē)上使用.　　分流并不斷開(kāi)電池的工作回路，而是給每只電池各增加一個(gè)旁路裝置，就象電池伴侶，兩者合起來(lái)的特性趨于電池組內平均素質(zhì)的單體電池特性.

　　2能耗與回饋

　　能耗型指給各單體電池提供并聯(lián)電流支路，將電壓過(guò)高的單體電池通過(guò)分流轉移電能達到均衡目的，實(shí)現電流支路的裝置可以是可控電阻，或經(jīng)能量變換器帶動(dòng)空調、風(fēng)機等耗電設備，其實(shí)質(zhì)是通過(guò)能量消耗的辦法限制單體電池出現過(guò)高或過(guò)低的端電壓，只適合在靜態(tài)均衡中使用，其高溫升等特點(diǎn)降低了系統可靠性，消耗能源，在動(dòng)態(tài)均衡中不可能使用.

　　與能耗不同，回饋通過(guò)能量變換器將單體之間的偏差能量饋送回電池組或組中某些單體.理論上，當忽略轉換效率時(shí)，回饋不消耗能量，可實(shí)現動(dòng)態(tài)均衡.回饋型具有更高的研究?jì)r(jià)值和使用價(jià)值，最有可能達到實(shí)用化設計.

　　3能量變換器

　　電池電壓均衡利用能量變換裝置實(shí)現，依據高頻開(kāi)關(guān)電源（SMPS）的原理和技術(shù)設計，基本的電源電路包括非隔離式的Buck、Boost、BuckBoost、Cuk、Sepic、Zeta，隔離式的有Forward、Flyback、PushPull、HalfBridge、FullBridge、Iso-Cuk等.充電時(shí)小容量電池充入較少能量，分流電路吸收電能，放電時(shí)分流電路補充能量，能量變換器應該實(shí)現雙向變換.原則上各種電源電路經(jīng)改進(jìn)設計都可以實(shí)現雙向，最簡(jiǎn)單的方案是用兩個(gè)電源，輸入與輸出交叉并聯(lián)，兩個(gè)電路分別控制.由于受成本、體積與重量、長(cháng)期工作的可靠性等因素的影響，雙向單變換器比單向雙變換器更有優(yōu)勢，是發(fā)展方向.

　　4靜態(tài)與動(dòng)態(tài)

　　按均衡功能特點(diǎn)分充電、放電和動(dòng)態(tài)均衡.充電均衡在充電過(guò)程中后期，單體電壓達到或超過(guò)截止電壓時(shí)，均衡電路開(kāi)始工作，減小單體電流，以期限制單體電壓不高于充電截止電壓.與充電均衡類(lèi)似，放電均衡在電池組輸出功率時(shí)，通過(guò)補充電能限制單體電壓不低于預設的放電終止電壓.充電截止電壓和放電終止電壓的設置與溫度有關(guān)聯(lián).與充電和放電均衡不同，動(dòng)態(tài)均衡不論在充電態(tài)、放電態(tài)，還是浮置狀態(tài)，都可以通過(guò)能量轉換的方法實(shí)現組中單體電壓的平衡，實(shí)時(shí)保持相近的荷電程度.

　　充電均衡的唯一功能是防止過(guò)充電，而在放電使用中帶來(lái)的負面影響使得使用這種均衡得不償失：不加充電均衡時(shí)，容量小的電池被一定程度過(guò)充，組內任何單體過(guò)放以前，電池組輸出Ah計電量略高于單體最小容量.使用充電均衡時(shí)，小容量電池沒(méi)有過(guò)充，能放出的電量小于不用均衡器時(shí)輕度過(guò)充所能釋放的電能，使得該單體電池放電時(shí)間更短，過(guò)放的可能性就更大了.另外，當電機控制器以組電壓降低到一定程度為依據減小或停止輸出功率時(shí)，由于大容量電池因充電均衡被充入更多電能而表現出較高的平臺電壓，淹沒(méi)和淡化了小容量電池的電壓跌落，將出現組電壓足夠高，而小容量單體已經(jīng)過(guò)放.

　　放電均衡與充電均衡情形相似，大容量淺充足放，小容量過(guò)充足放，加速單體性能差異性變化的結果是相同的，都不能形成真正實(shí)用的產(chǎn)品，只有動(dòng)態(tài)均衡集中了兩種均衡的優(yōu)點(diǎn)，盡管單體之間初始容量有差異，工作中卻能保證相對的充放電強度和深度的一致性，漸進(jìn)達到共同的壽命終點(diǎn).

　　5單向和雙向

根據均衡器處理能量的可能流向分單向和雙向均衡，雙向型使用雙向變換器，輸入輸出方