◆文/廣東　郭棟

郭棟

(本刊編委會委員、“新能源汽車”欄目主持專家)

深圳市派司德科技有限公司董事長；廣東省電動汽車標(biāo)準(zhǔn)委員會專家；博世汽車服務(wù)公司新能源汽車教學(xué)項目顧問；深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院客座教授。參與國內(nèi)幾款主要電動汽車控制策略的設(shè)計；參加了深圳電動汽車維修專項技能認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)；參與了電動汽車修理廠技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、營運(yùn)電動汽車維修和保養(yǎng)技術(shù)規(guī)范、營運(yùn)電動汽車技術(shù)性能檢測標(biāo)準(zhǔn)的制定。為電動汽車生產(chǎn)企業(yè)提供生產(chǎn)工藝設(shè)計咨詢，同時還主持了電動汽車車載診斷系統(tǒng)設(shè)計項目。

(接上期)

五.電池的均衡管理

為什么需要電池均衡呢？首先一個串聯(lián)的電池包，不管你怎么去篩選，總是會出現(xiàn)不均衡(電壓差別、容量差別、內(nèi)阻差別、充電和放電速度差別)現(xiàn)象。這樣在實際使用過程中，每個單體電池的輸出電量是不一樣的。這里需要增加一個衡量電路，以提高電池包儲電空間的利用率。在電池充放電時，出現(xiàn)的不均衡現(xiàn)象如圖6所示。

電池不僅有過度放電和過度充電的限制，而且在不同溫度和不同SOC下，最大的輸入和輸出的功率也存在限制。單個單體電池的限制，會影響到整個電池，但單個單體電池超限，并不代表整個電池組不安全，而是那個超限的單體電池會損壞。當(dāng)然，串聯(lián)在一起的電池包也遵循馬太效應(yīng)，由于其負(fù)荷是一致的，越弱(自放電大、容量低、發(fā)熱大)的那個電池永遠(yuǎn)承受著越大的壓力，那么在一個電池包內(nèi)，這個電池也就老化的越快。實驗證明，電池的最大放電功率和其工作溫度及SOC狀態(tài)是呈函數(shù)關(guān)系的，如圖7所示。

影響電池不均衡的因素有哪些呢？如圖8所示，這里的十三個影響因素被分為了五組。

1.電池包內(nèi)各個單體電池之間的個體差異性(從出廠就具有的)。

①單體電池容量差異；

②單體電池內(nèi)阻差異；

③單體電池自放電差異。

以上這三個因素，主要是由于單體在制造過程中的差異導(dǎo)致的。越好的制造商，能夠制造出差異越小、均衡越好的電池。

④不同的工作電流導(dǎo)致的不均衡的概率分布，如圖9所示。不同的電壓、電流采集方案會不同程度加劇電池的不均衡，如圖10所示。

⑤休眠時候電流差異： 這個時候的電路差異，主要是集中在單體電池的輸入端和均衡通路里，如圖11所示。

2.電池包內(nèi)隨著時間變化(電池包的老化)會出現(xiàn)以下情況。

①單體電池容量差異；

②單體電池內(nèi)阻差異；

③單體電池自放電差異。

以上這3個差異，都會導(dǎo)致電池組整體的儲電能力還和工作能力嚴(yán)重下降。

3.客戶在使用電動車時，應(yīng)注意以下兩個方面。

①充電時間；

②放電時間。

由于均衡的時間一般相對較長，放在什么時候做均衡比較好呢？一般對于插電式的NEV(電動車、新能源車型)來說，有3種狀態(tài)：Park(停車狀態(tài))、Charging(充電狀態(tài))和Discharge(放電狀態(tài))，這個時間決定了均衡的目標(biāo)時間。

4.外部環(huán)境影響，包括以下方面。

①不同溫度下的自放電；

②不同SOC(剩余電量)下的自放電。

5.系統(tǒng)間的相互影響。

BMS電池管理系統(tǒng)的技術(shù)路線和工作狀況會造成新的不均衡，比如電池管理系統(tǒng)的取電方法，電池采集線的布局形式，這些因素和BMS的工作狀態(tài)有關(guān)系。

采用什么樣的電池均衡方法，取決于硬件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和軟件的均衡算法兩部分。

不同均衡方法的比較，如圖12所示。均衡系統(tǒng)的目的是在比較良好的電池質(zhì)量條件下，保證電池系統(tǒng)在苛刻的條件下長壽命運(yùn)行。

六.電池組熱管理系統(tǒng)

電池組熱管理系統(tǒng)的主要功能有：①電池溫度的準(zhǔn)確測量和監(jiān)控；②電池組溫度過高時的有效散熱和通風(fēng)；③低溫條件下的快速加熱，使電池組能夠正常工作；④有害氣體產(chǎn)生時的有效通風(fēng)；⑤保證電池組溫度場的均勻分布。

電池組熱管理系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)有：①確定電池最優(yōu)工作溫度范圍；②電池?zé)釄鲇嬎慵皽囟阮A(yù)測；③傳熱介質(zhì)選擇；④熱管理系統(tǒng)散熱結(jié)構(gòu)；⑤風(fēng)機(jī)與測溫點選擇。

通過公式Q=C×M×ΔT=W×t ，即得熱量=比熱容×總重量×溫升=功率×溫升時間，可估算PTC的功率，這只是簡單的公式，而真正難的是如何將熱量快速均勻地傳到每個模塊每片電芯上，才是關(guān)鍵問題。

蓄電池在工作過程中，根據(jù)蓄電池最佳工作環(huán)境溫度要求，EME會發(fā)出降溫指令或升溫指令，熱管理從性質(zhì)上可分為降溫過程和升溫過程。

降溫?zé)峁芾淼哪康氖欠乐闺姵亟M的溫度超過電池工作的最高溫度，其要求還包括：控制電池組的溫升，均衡電池箱內(nèi)各點的溫度，保持各單體電池的溫度一致，防止因溫度不同而造成電池組間的電池性能差異。

升溫?zé)峁芾?，對于鋰電池而言，低溫下電池?fù)極石墨的嵌入能力下降。因此，低溫主要是對鋰電池的充電有負(fù)面影響，對電池的放電則影響不大。在低溫時，由于電池的活性差，電池負(fù)極石墨的嵌入能力下降，這時大電流充電很可能出現(xiàn)電池?zé)崾Э厣踔涟踩鹿省Ｒ虼?，?dāng)電池管理系統(tǒng)監(jiān)測到電池溫度過低時會發(fā)出控制信息，通知充電機(jī)進(jìn)行小電流充電。另外，由于低溫（低于-10 ℃）環(huán)境下，電池的內(nèi)阻會增加。在充電過程中，電池就會產(chǎn)生更多的熱量，使得電池的溫度逐漸升高。這樣在進(jìn)行一定時間的小電流充電后，當(dāng)監(jiān)測到電池的溫度正常后，即可通知充電機(jī)恢復(fù)正常模式充電。

對于電池?zé)峁芾眍愋偷倪x擇可以按傳熱介質(zhì)進(jìn)行分類，一般分為：空冷，液冷以及相變材料（如石蠟）冷卻三種方式。

目前空冷散熱通風(fēng)方式一般有串行和并行兩種，如圖13所示，冷空氣從左側(cè)吹人從右側(cè)吹出，空氣被電池依次加熱，越往右，空氣的溫度越高，冷卻效果越差。電池箱內(nèi)電池溫度從左到右依次升高，導(dǎo)致電池模塊溫度分布的不一致性，影響電池的冷卻效果。

如圖14所示，并行通風(fēng)方式使得空氣流在電池模塊間更均勻地分布。確保了吹過不同電池模塊的空氣流量的一致性，從而保證了電池組溫度場分布的一致性。

可以看出，空冷方式的主要優(yōu)點有：①結(jié)構(gòu)簡單，重量相對較?。虎跊]有發(fā)生液體泄漏的可能；③有害氣體產(chǎn)生時能有效通風(fēng)；④成本較低。缺點在于空氣與電池表面之間換熱系數(shù)低，冷卻和加熱速度慢。

如果設(shè)計不好同樣會導(dǎo)致電芯的溫度差加大,典型空氣加熱系統(tǒng)的數(shù)模圖，如圖15所示。

用熱像儀拍出來的海馬電動轎車在放電過程中的溫度分布，如圖16所示，最高溫度與最大溫度的差別已經(jīng)大于15℃，這種情況會大大降低電池的能量利用率。

液冷系統(tǒng)是利用液體相對于空氣有著較高換熱系數(shù)，可將電池產(chǎn)生的熱量快速帶走，達(dá)到有效降低電池溫度的目的。

液體冷卻主要分為直接接觸和非直接接觸兩種方式。非直接接觸式液冷必須將套筒等換熱設(shè)施與電池組進(jìn)行整合設(shè)計才能達(dá)到冷卻的效果，這在一定程度上降低了熱交換效率，增加了熱管理系統(tǒng)設(shè)計和維護(hù)的復(fù)雜性。

對于直接接觸式的液冷系統(tǒng)，通常采用不導(dǎo)電且換熱系數(shù)高的換熱介質(zhì)，常用的有礦物油、乙二醇等。對于非直接接觸式的液冷系統(tǒng)，可以采用水，防凍液等作為換熱介質(zhì)。

隨著納米技術(shù)的發(fā)展，新型傳熱介質(zhì)納米流體不僅在科研，而且在應(yīng)用上得到很大關(guān)注，納米流體即以一定的方式和比例將納米級金屬或非金屬氧化物粒子添加到流體中而形成的。研究表明，在液體中添加納米粒子，可以顯著提高液體的導(dǎo)熱系數(shù)，提高熱交換系統(tǒng)的傳熱性能。因此將納米流體應(yīng)用于電池?zé)峁芾砑夹g(shù)將會是將一個新的研究發(fā)展方向，值得引起廣泛的關(guān)注。

7.電池預(yù)充電管理

在電動汽車電機(jī)控制器內(nèi)或者逆變器內(nèi)有三個大的電容，每次電池包的主繼電器閉合時，電池會給電容充電，在電池母線上會有很大的反向電流，我們一般稱之為浪涌，這個浪涌電流高達(dá)1 000A，這個電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于繼電器最大承受電流，很多電器設(shè)計以250A為最大承受電流，實際上在駕駛員關(guān)閉汽車鑰匙時，電容也會放電，繼電器也不是馬上打開，需要做一個延時，等電容兩極的電壓降到36V時才關(guān)閉主繼電器，所以一般要求學(xué)員在5min內(nèi)不能接觸高壓回路。如圖17所示，預(yù)充電電路有負(fù)母線繼電器K3、正母線繼電器K2、預(yù)充電繼電器K1、預(yù)充電限流電阻和控制繼電器開閉的電池管理系統(tǒng)組成。預(yù)充電電路一旦出現(xiàn)故障，會導(dǎo)致 燒壞負(fù)載 、燒壞保險、使單電芯過充、燒毀繼電器或直流接觸器等。

當(dāng)電池管理系統(tǒng)接收到KEY-ON信號時，先閉合負(fù)母線繼電器K3，再接到star信號時，先閉合預(yù)充電繼電器K1，500ms后閉合正母線繼電器K2，然后再打開預(yù)充電繼電器K1，這樣做的目的起到電流緩沖作用。

在有些車型上，整車控制器會快速比較電池管理系統(tǒng)與電機(jī)控制器發(fā)來的總電壓，當(dāng)兩個電壓差值小于5%，向電池管理系統(tǒng)發(fā)出閉合正母線繼電器的指令。(全文完)