汽車動力電池組的參數(shù)與特性分析、均衡管理

要溫升、內(nèi)壓過高，就伴隨副反應(yīng)，電池容量就會減少，而副反應(yīng)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(jié)束后的短時間里使電池內(nèi)部物質(zhì)燃燒，導(dǎo)致電池報廢.過充電加速電池容量衰減、導(dǎo)致電池失效，百害無一利.

　　3放電

　　恒流放電時，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(dǎo)線電阻和觸點電阻，電壓繼續(xù)下降，經(jīng)過一段時間以后，到達(dá)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(yīng)加電阻釋熱使電池溫升較高.放電電壓曲線近似單體放電曲線，持續(xù)放電，電壓曲線進(jìn)入馬尾下降階段，極化阻抗增大，輸出效率降低，熱耗增大，接近終止電壓時停止放電.

　　上述過程用恒流特性模擬負(fù)載電機(jī)，實際汽車在行使中，電機(jī)輸出功率的變化很復(fù)雜，電流雙極性變化，即使勻速行使，路面顛簸、微小轉(zhuǎn)向都使輸出功率實時變化，在短時間段里，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(guī)則的零脈沖（無逆變功能）或負(fù)脈沖（有逆變功能，電池被充電）出現(xiàn).

　　4過放電

　　考慮組內(nèi)單體電池，必有相對的過放電情況.在放電后期，電壓接近馬尾曲線，組中單體容量正態(tài)分布，電壓分布很復(fù)雜，容量最小的單體電壓跌落得也就最早、最快，若這時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)被過度放電

　　觀察單體過放情況，進(jìn)入馬尾曲線以后，若電流持續(xù)較大，電壓迅速降低，并很快反向，這時電池被反方向充電，或稱被動放電，活性物質(zhì)結(jié)構(gòu)被破壞，另一種副反應(yīng)很快發(fā)生，過一段時間，電池活性材料接近全部喪失，等效為一個無源電阻，電壓為負(fù)值，數(shù)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，原電池電動勢消失，電壓不能恢復(fù)，因此，一次反充電足以使電池報廢.

　　組中單體過放容易發(fā)生不易控制，電機(jī)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、極化電壓波動足以淹沒單體電壓跌落信號，組電壓監(jiān)視失去意義.

　　5經(jīng)濟(jì)速度與續(xù)駛里程

　　傳統(tǒng)汽車以經(jīng)濟(jì)速度行駛耗油最省，用百公里耗油量評價，經(jīng)濟(jì)速度由發(fā)動機(jī)效率、動力傳動效率和摩擦力決定，電動汽車也有經(jīng)濟(jì)速度，由電池使用效率、電動機(jī)和控制器效率、摩擦阻力決定，經(jīng)濟(jì)速度與電池組內(nèi)阻有直接關(guān)系，在一定范圍內(nèi)變化.以經(jīng)濟(jì)速度行駛，電動汽車能達(dá)到最大的續(xù)駛里程.固定整車和電動機(jī)，續(xù)駛里程可以考察動力電池組的能量供給能力，經(jīng)濟(jì)速度反映了電池組功率提供能力，電動汽車希望動力電池組能提供大容量和高功率.

　　6加速與爬坡

　　電動汽車在加速和爬坡時輸出功率大，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，電壓下降也會導(dǎo)致電機(jī)效率降低，工作條件惡劣，可能發(fā)生過強度放電，即超出電池電流輸出能力，此時電池組處于過載使用.避免過載的措施：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(wěn)行使，限制加速度.

　　7剎車制動與逆變

　　只要加速度為負(fù)值，傳動機(jī)構(gòu)就可以帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電，回饋電能可以給電池組充電，將機(jī)械動能轉(zhuǎn)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(shù)量級，取決于發(fā)電機(jī)逆變效率，加速時有過強度放電，逆變時就有可能存在過強度充電.

　　8先進(jìn)的電池組使用方法

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

　　鑒于相同原材料、同批次的單體電池，容量、內(nèi)阻、壽命等性能參數(shù)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程的一致性漸進(jìn)逼近其它性能參數(shù)的一致性，其中最重要的參數(shù)是荷電程度；鑒于電池在未曾歷經(jīng)過過充、過放的損害，在其生命期里不容易提前失效，可以推斷，如果在充放電過程中通過能量變換的辦法實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，可以實現(xiàn)同時充足電、也同時放空電，進(jìn)而，電池組的壽命應(yīng)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(yīng)并不激烈，電池的電流接受能力最強，充電電流還應(yīng)該加大，恒流后期電池溫升、內(nèi)壓增大，電流已經(jīng)超出電池接受能力，電流應(yīng)該減小，同時，極化作用、趨膚效應(yīng)降低了材料反應(yīng)的活性，可利用反向電流脈沖肖弱這些不利影響.

　　動力電池組的均衡控制和管理

　　要實現(xiàn)單體電壓的均衡控制，均衡器是電池管理系統(tǒng)的核心部件，離開均衡器，管理系統(tǒng)即使得到了電池組測量數(shù)據(jù)，也無所作為，也就無所謂管理.隨著電動汽車技術(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(nèi)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?jǐn)嗔骱头至?，斷流指在監(jiān)控單體電壓變化的基礎(chǔ)上，在滿足一定條件時把單體電池的充電或負(fù)載回路斷開，通過機(jī)械觸點或電力電子部件組成開關(guān)矩陣，動態(tài)改變電池組內(nèi)單體之間的連接結(jié)構(gòu)，可能的斷流部件有機(jī)械、繼電器、半導(dǎo)體.電動汽車用電池組功率很大，瞬時電流可達(dá)數(shù)百安培而且雙極性變化，在考慮可行性、性價比、實用性、可靠性等諸多因素，斷流的實施難度極大，不適合在電動汽車上使用.　　分流并不斷開電池的工作回路，而是給每只電池各增加一個旁路裝置，就象電池伴侶，兩者合起來的特性趨于電池組內(nèi)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，將電壓過高的單體電池通過分流轉(zhuǎn)移電能達(dá)到均衡目的，實現(xiàn)電流支路的裝置可以是可控電阻，或經(jīng)能量變換器帶動空調(diào)、風(fēng)機(jī)等耗電設(shè)備，其實質(zhì)是通過能量消耗的辦法限制單體電池出現(xiàn)過高或過低的端電壓，只適合在靜態(tài)均衡中使用，其高溫升等特點降低了系統(tǒng)可靠性，消耗能源，在動態(tài)均衡中不可能使用.

　　與能耗不同，回饋通過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(dāng)忽略轉(zhuǎn)換效率時，回饋不消耗能量，可實現(xiàn)動態(tài)均衡.回饋型具有更高的研究價值和使用價值，最有可能達(dá)到實用化設(shè)計.

　　3能量變換器

　　電池電壓均衡利用能量變換裝置實現(xiàn)，依據(jù)高頻開關(guān)電源（SMPS）的原理和技術(shù)設(shè)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.充電時小容量電池充入較少能量，分流電路吸收電能，放電時分流電路補充能量，能量變換器應(yīng)該實現(xiàn)雙向變換.原則上各種電源電路經(jīng)改進(jìn)設(shè)計都可以實現(xiàn)雙向，最簡單的方案是用兩個電源，輸入與輸出交叉并聯(lián)，兩個電路分別控制.由于受成本、體積與重量、長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)與動態(tài)

　　按均衡功能特點分充電、放電和動態(tài)均衡.充電均衡在充電過程中后期，單體電壓達(dá)到或超過截止電壓時，均衡電路開始工作，減小單體電流，以期限制單體電壓不高于充電截止電壓.與充電均衡類似，放電均衡在電池組輸出功率時，通過補充電能限制單體電壓不低于預(yù)設(shè)的放電終止電壓.充電截止電壓和放電終止電壓的設(shè)置與溫度有關(guān)聯(lián).與充電和放電均衡不同，動態(tài)均衡不論在充電態(tài)、放電態(tài)，還是浮置狀態(tài)，都可以通過能量轉(zhuǎn)換的方法實現(xiàn)組中單體電壓的平衡，實時保持相近的荷電程度.

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

　　放電均衡與充電均衡情形相似，大容量淺充足放，小容量過充足放，加速單體性能差異性變化的結(jié)果是相同的，都不能形成真正實用的產(chǎn)品，只有動態(tài)均衡集中了兩種均衡的優(yōu)點，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(dá)到共同的壽命終點.

　　5單向和雙向

根據(jù)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