陳懷勝 徐焱然

摘要：目前每年汽車燃油消耗量占據(jù)了全世界石油總消耗量的41%左右。不可再生能源石油的不斷減少和人類生存環(huán)境的日益破壞，是擺在全世界人類面前的難題。開發(fā)節(jié)能新技術(shù)和發(fā)展新能源汽車產(chǎn)業(yè)已成為世界上許多國(guó)家應(yīng)對(duì)能源和環(huán)境問(wèn)題的共同選擇。大力發(fā)展新能源汽車產(chǎn)業(yè)是我國(guó)從汽車大國(guó)向汽車強(qiáng)國(guó)邁進(jìn)的必經(jīng)之路，是我國(guó)應(yīng)對(duì)氣候變化、推動(dòng)綠色生態(tài)發(fā)展的英明舉措。作為新能源汽車的動(dòng)力源的動(dòng)力電池，如何在保證電池在安全使用的同時(shí)，延長(zhǎng)使用壽命，一直是新能源汽車中的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文主要分析新能源汽車電池組一致性的影響因素研究。

關(guān)鍵詞：儲(chǔ)能電站;電池單體;一致性;極差電壓

引言

當(dāng)今社會(huì)能源危機(jī)和環(huán)境污染日益嚴(yán)重，科技領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)主要集中在安全、清潔、高效的能源存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換技術(shù)方面。動(dòng)力電池是指為電動(dòng)汽車、電動(dòng)列車、電動(dòng)自行車、高爾夫球車等提供動(dòng)力來(lái)源的蓄電池。主要種類有：閥口密封式鉛酸蓄電池、敞口式管式鉛酸蓄電池以及磷酸鐵鋰蓄電池。鋰離子電池作為電能的一種存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換載體，其特點(diǎn)是幾乎不會(huì)污染環(huán)境（集中處理）且具有很高的能量轉(zhuǎn)化率。其充電的工作原理是：當(dāng)鋰離子電池接通電源充電時(shí)，鋰離子由正極材料脫嵌（如鈷酸鋰、鎳鈷錳酸鋰、磷酸鐵鋰等）進(jìn)入到電解液中，電解液中的電解質(zhì)（如六氟磷酸鋰LiPF6等）內(nèi)的鋰離子經(jīng)隔膜定向移動(dòng)到負(fù)極表面，與外電路中從正極移動(dòng)過(guò)來(lái)的電子結(jié)合，同時(shí)嵌入負(fù)極材料（如石墨、硅碳、鈦酸鋰等）中。因?yàn)檎?、?fù)極的鋰離子產(chǎn)生濃度差、電位差，故六氟磷酸鋰電解質(zhì)中的鋰離子開始從正極透過(guò)隔膜向負(fù)極定向運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生了電流。需要指出的是鋰離子電池的放電過(guò)程正好是與此相反。

1、國(guó)內(nèi)動(dòng)力電池現(xiàn)狀

新能源汽車的高速發(fā)展帶動(dòng)了動(dòng)力電池行業(yè)的快速發(fā)展，近年來(lái)涌現(xiàn)出來(lái)的以寧德時(shí)代為首的中國(guó)電池企業(yè)已經(jīng)處于世界領(lǐng)先的地位。目前，國(guó)內(nèi)新能源汽車仍然是以磷酸鐵鋰和三元鋰電池為主流，車型的續(xù)航里程基本上都能達(dá)到300km，但電池系統(tǒng)的能量密度水平僅為115Wh/Kg--150Wh/Kg之間。國(guó)家工信部等四部委在2017年3月，聯(lián)合頒布《促進(jìn)汽車動(dòng)力電池發(fā)展行動(dòng)方案》，指出到2020年，要求新型鋰離子動(dòng)力申池單體比能量超過(guò)300Wh/Kg;系統(tǒng)比能量力爭(zhēng)達(dá)到260Wh/Kg。

2、電池組不一致的表現(xiàn)

單體電池電壓不一致是電池組最直觀的表現(xiàn)之一。盡管單體電池在初始狀態(tài)時(shí)都是無(wú)缺陷的，但由于單體電池的循環(huán)充放電的效率并不相同，故造成單體電池的電壓相差很大。由于不同電池生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的電池阻抗譜差別很大，即使是同一廠家，由于制造溫度和歷史循環(huán)等因素的影響也會(huì)使生產(chǎn)出的同一類型電池之間的內(nèi)阻或阻抗不一致。影響單體電池不一致的主要因素是溫度不一致。電池反應(yīng)與其溫度變化呈指數(shù)關(guān)系，即電池溫度越高，其衰減越快，這樣導(dǎo)致電池的不一致性增大。SOC、容量及衰減的不一致性對(duì)于新能源汽車來(lái)說(shuō)是最重要的三個(gè)特征，因?yàn)樗鼈冴P(guān)系到電池組的可用容量和輸出功率。

3、減小電池組不一致性的方法

3.1電池電壓檢測(cè)

BMS需要對(duì)動(dòng)力電池組的總電壓和各單體電池電壓進(jìn)行檢測(cè)，現(xiàn)對(duì)常見的電池電壓檢測(cè)方法進(jìn)行分析。（1）共模測(cè)量和差模測(cè)量：共模測(cè)量是指使用精密電阻等比例衰減來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)相對(duì)同一參考點(diǎn)電壓的測(cè)算，并分別求得不同電池對(duì)應(yīng)的電壓值。這種方法的特點(diǎn)就是操作簡(jiǎn)便，但是其測(cè)量效果很難滿足需求。差模測(cè)量是通過(guò)繼電器選通單節(jié)電池進(jìn)行直接測(cè)量，測(cè)量精度相對(duì)較高。（2）基于繼電器的采集方式電池正負(fù)極各自都是連接對(duì)應(yīng)的光耦，并連接到對(duì)應(yīng)的A/D芯片模擬輸入2側(cè)，單片機(jī)則主要控制繼電器，從而實(shí)現(xiàn)單體電池電壓值向數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)化，然后使用單片機(jī)對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行處理。但是，這種方案需要用到大量的光繼電器，占用體積大，成本較高。（3）基于專用芯片的電壓檢測(cè)方式使用半導(dǎo)體公司生產(chǎn)應(yīng)用于電池管理系統(tǒng)的芯片。用于電壓檢測(cè)的專用芯片可以對(duì)串聯(lián)的多個(gè)電池進(jìn)行電壓檢測(cè)，當(dāng)串聯(lián)的電池總電壓高于芯片的檢測(cè)上限閾值時(shí)，可采用多個(gè)芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓檢測(cè)。每一個(gè)芯片對(duì)低于其電壓檢測(cè)上限閾值的串聯(lián)電池進(jìn)行檢測(cè)，然后將每個(gè)芯片檢測(cè)得到的電壓值相加得到串聯(lián)電池的總電壓。使用這種方法可以實(shí)現(xiàn)大量電池串聯(lián)情況的高電壓檢測(cè)。這種方式省去了大量光繼電器，節(jié)約了開發(fā)板面積，但開發(fā)成本較高，導(dǎo)致應(yīng)用成本上升。

3.2電池電流與電壓采集電路設(shè)計(jì)

除了集中控制設(shè)計(jì)外，還要注意電流電壓采集，相應(yīng)的電路設(shè)計(jì)至關(guān)重要，也是電池座估計(jì)的參數(shù)保證。當(dāng)前電動(dòng)汽車工業(yè)發(fā)展有較高的性能要求和相應(yīng)的采集電路精度要求。大多數(shù)電池使用4芯鋰離子電池，單個(gè)電池的電壓為3.2V，其最大電壓為3.65v，因?yàn)橹骺刂破鞯腁/D轉(zhuǎn)換通道接口能夠支持的最大電壓為3.3V，因此必須保證精度，以確保單部件轉(zhuǎn)換接口的安全性傳感器分別連接到電池塊的正端和負(fù)端，收集到的數(shù)據(jù)在顯示在上級(jí)計(jì)算機(jī)上之前被轉(zhuǎn)換為信號(hào)傳輸?shù)街骺刂破?。在設(shè)計(jì)總電壓獲取電路時(shí)，需要具體說(shuō)明目前最常用的電壓檢測(cè)方法，如電阻電壓分離、過(guò)流電容器、計(jì)算放大器差動(dòng)放大方法等。電阻電壓分離最適用于單電池電壓采集。雖然累計(jì)誤差是無(wú)法避免的，但它的負(fù)面影響可以被忽略。

3.3定時(shí)對(duì)電池組的整體狀況進(jìn)行檢測(cè)探究

一是保證電池正常工作，及時(shí)清洗電池蓋和電弧焊柱，保證表面清潔，污染源附在上面的，合理應(yīng)用壓縮空氣法保證表面清潔。此外，必須確保電池組件的整個(gè)外殼沒有損壞，并且沒有變形問(wèn)題。此外，有必要關(guān)閉托盤和整個(gè)電池蓋系統(tǒng)，對(duì)電池和車身進(jìn)行嚴(yán)格和嚴(yán)密的處理，以確保電池在車體運(yùn)行期間保持穩(wěn)定。然后定期檢查電池的連接狀態(tài)。為了保證電池雙極缸電纜連接的穩(wěn)定性，不要出現(xiàn)過(guò)松問(wèn)題，保證電池連接點(diǎn)與溫度采集端口、電壓等之間的安全接觸。整個(gè)電池，避免腐蝕和銹蝕問(wèn)題。充電時(shí)應(yīng)選擇合適的插座和插座，確保兩者之間的有效接觸，避免線路板拉傷等問(wèn)題。最后，電池組應(yīng)迅速檢測(cè)到漏電情況。電池組電壓相對(duì)較高，通常為300 v直流電壓，因此必須保證汽車和電池的絕緣和駕駛員的安全。

3.4電池的均衡控制

BMS系統(tǒng)的電源管理功能中，電池平衡控制管理最為困難。每個(gè)單獨(dú)電池的初始容量、內(nèi)部阻力和自放電率參數(shù)因生產(chǎn)工藝或材料使用不均衡而異。隨著電池壽命的延長(zhǎng)，初始差異越來(lái)越大，不適當(dāng)?shù)牟僮鳒囟葧?huì)導(dǎo)致電池不一致，從而產(chǎn)生共振效應(yīng)，即更快地消耗性能最差的電池，加速電池壽命的老化，縮短電池壽命，以及目前，主要均衡方法分為被動(dòng)均衡和主動(dòng)均衡兩種方法。（1）負(fù)債（載？）平衡。被動(dòng)平衡是指通過(guò)使用分散組件（如電阻）來(lái)實(shí)現(xiàn)電池中每個(gè)電池的負(fù)載平衡目標(biāo)而消耗的高負(fù)載電池。被動(dòng)平衡具有分散電流，可能導(dǎo)致能量和熱量損失，電路的熱效應(yīng)在不一致情況嚴(yán)重時(shí)可能進(jìn)一步損害塊——電池——（？）的穩(wěn)定性，但由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于控制和成本低，仍然是工業(yè)控制中最常見的平衡手段。2主動(dòng)平衡是指使用電源存儲(chǔ)組件和開關(guān)組件將高負(fù)載電池的能量轉(zhuǎn)移到低負(fù)載電池，以平衡電池中每個(gè)單獨(dú)電池的能量。主動(dòng)平衡可提高能效，增加單個(gè)電池充電的使用時(shí)間，但主動(dòng)平衡控制邏輯復(fù)雜且成本高昂，實(shí)際上在能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中存在損耗。

結(jié)束語(yǔ)

影響電池組的不一致性的主要因素是溫度和庫(kù)侖效率。溫度的控制需要有較好的電池組熱管理，將溫差控制在5攝氏度內(nèi)，其電池組的不一致性有較大的改觀。新能源汽車電池組的不一致性研究還有很多方向需要進(jìn)深入系統(tǒng)的研究，例如：生產(chǎn)材料的物理特性導(dǎo)致不一致性的研究，對(duì)單體電池壽命二維尺度衰減的機(jī)理分析的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，單體電池功率輸出不一致性的研究，電池組的連接方式不一致性研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉亞運(yùn).鋰離子電池SOC估計(jì)與電池組均衡技術(shù)研究[D].安徽理工大學(xué)，2019.

[2]李欣陽(yáng).基于STM32的分體式BMS主控單元設(shè)計(jì)[D].青島大學(xué)，2019.

[3]張寶利.基于功能安全的電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)[D].北京交通大學(xué)，2019.

[4]翁志福.新能源汽車動(dòng)力電池管理系統(tǒng)研究[D].西南交通大學(xué)，2019.

[5]方揚(yáng)帆.電動(dòng)汽車動(dòng)力電池管理系統(tǒng)檢測(cè)平臺(tái)研究[D].中國(guó)計(jì)量大學(xué)，2019.