朱海鵬

（福建省福芯電子科技有限公司，福建 福州 350101）

在“碳達(dá)峰，碳中和”的總戰(zhàn)略中，能源電子產(chǎn)業(yè)是我國(guó)創(chuàng)新領(lǐng)域的一個(gè)主要賽道。鋰離子電池因具有高能量與功率密度等優(yōu)勢(shì)而被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。在即時(shí)配送用電動(dòng)兩輪車換電領(lǐng)域，具有更高強(qiáng)度應(yīng)用需求的鋰離子電池已成為主力。電池單體多以串、并聯(lián)成組形式使用，然而，各電池單體在制造和運(yùn)行過程中存在不可避免的差異，所產(chǎn)生的“木桶效應(yīng)”縮短了電池組使用壽命[1]。換電運(yùn)營(yíng)商為了滿足市場(chǎng)需求，只能不斷投入新電池，增加了電池庫(kù)存與運(yùn)營(yíng)成本。

上述問題的常規(guī)解決方案有2種：1）對(duì)電池重新進(jìn)行分容重組。該方案成本高且有隱藏燃爆風(fēng)險(xiǎn)，需要符合工信部白名單的企業(yè)才能實(shí)施[2]。2）使用均衡儀器對(duì)各電芯進(jìn)行均衡。該方法也不能根本解決電阻差異。該文提出了對(duì)電動(dòng)兩輪車換電鋰電池組加裝主動(dòng)均衡裝置進(jìn)行延壽的方法，相當(dāng)于在電池組中增加了一個(gè)隨著電池的均衡儀，為只是由電阻差異而非化學(xué)物質(zhì)枯竭導(dǎo)致續(xù)航里程與壽命異常的電池組提供了一種有效、可靠的方式，以此來保證其循環(huán)次數(shù)與使用壽命。

1 主動(dòng)均衡裝置原理

“亞洲電動(dòng)汽車之父”陳清泉院士曾說過“沒有電池管理的電池包就是一枚炸彈”。為解決電池組不一致性問題，電池均衡技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。電池均衡的本質(zhì)是減少電池組各電池單體能量的差異，從而使電池組保持較高的一致性。作為電池管理系統(tǒng)的關(guān)鍵一環(huán)，該技術(shù)在預(yù)防電池過充過放、確保電池組可用容量及其安全運(yùn)行、延長(zhǎng)使用壽命、優(yōu)化使用方案以及節(jié)約成本等方面具有重要意義。

1.1 多繞組變壓器一體同步主動(dòng)均衡裝置原理

均衡技術(shù)可以分為被動(dòng)均衡和主動(dòng)均衡2類[1]。被動(dòng)均衡是一種能量耗散式均衡，其能量使用效率低、均衡電流小，在目前的兩輪車電池組使用中如隔靴搔癢。主動(dòng)均衡是一種非能量耗散式均衡，其原理是以電容或電感等儲(chǔ)能元件的方式將能量高的電芯內(nèi)的能量轉(zhuǎn)移到能量低的電芯中去。優(yōu)點(diǎn)是能量損耗較小、散熱低和效率高，缺點(diǎn)是成本高、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，復(fù)雜的結(jié)構(gòu)提高了成本與故障率。

該文采用的主動(dòng)均衡裝置基于“多繞組變壓器的均衡拓?fù)洹?，為在低?fù)雜度的情況下實(shí)現(xiàn)快速均衡和高均衡效率，采用文獻(xiàn)[3]設(shè)計(jì)的一種利用多繞組變壓器一體同步的雙向有源均衡方法。該方案允許通過正激或反激變換，將能量直接從最高能量電池傳輸?shù)阶畹湍芰侩姵?，為能量轉(zhuǎn)移提供了一個(gè)較短的路徑，通過多路同步均衡，來提供均衡速度。其設(shè)計(jì)的變壓器不再區(qū)分原邊與副邊繞組，所有繞組具有相同的匝數(shù)、同名端、公共端和共用磁芯。n節(jié)串聯(lián)電池組使用2n個(gè)繞組，多節(jié)電池并聯(lián)的繞組電感量一致性高，提高了電壓均衡精度。采用該方案的變壓器均衡4節(jié)串聯(lián)電池組的電路原理圖如圖1所示，包括4節(jié)串聯(lián)的鋰電池（B1～B4），8個(gè)繞制匝數(shù)相同的繞組（L11、L12、L21、L22、L31、L32、L41以及L42），8個(gè)MOSFET開關(guān)（S11、S12、S21、S22、S31、S32、S41以及S42）以及一個(gè)磁芯，該磁芯為所有繞組共用。每2個(gè)繞組組成一對(duì)，分別與開關(guān)串聯(lián)后，并聯(lián)至一節(jié)電池上。

圖1 多繞組變壓器一體同步雙向均衡拓?fù)?/p>

同時(shí)采用文獻(xiàn)[3]提出的變壓器繞制方法，選擇合適的非晶納米晶磁芯，并設(shè)計(jì)適配的“日”形框架結(jié)構(gòu)，如圖2所示，使作為儲(chǔ)能介質(zhì)且結(jié)構(gòu)復(fù)雜的變壓器占用體積較小，為整體主動(dòng)均衡裝置能隨電池組使用奠定基礎(chǔ)。

圖2 同步線圈的“日”形結(jié)構(gòu)件

基于上述文獻(xiàn)與拓?fù)?，文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)了一種可級(jí)聯(lián)及并聯(lián)使用的鋰電池組均衡保護(hù)模組，該裝置即該文使用的“多繞組變壓器一體同步主動(dòng)均衡裝置”，將大部分控制電路集成在專用IC內(nèi)部，精簡(jiǎn)了外圍電路，同時(shí)定制化設(shè)計(jì)了專用MOS管，可吸收返峰電流，在縮小空間的同時(shí)也能降低成本并提升均衡性能。該模組主要包括電路接口與均衡保護(hù)電路，如圖3所示。其中電路接口分為3組并與均衡保護(hù)電路相連接。均衡保護(hù)電路包括主控單元（MCU）、溫度采樣電路（TEMP）、電壓檢測(cè)電路（VOL）、電流采樣電路（CUR）、通信電路（COM）、磁通耦合電路以及能量傳遞電路。基于該裝置，文獻(xiàn)[5]進(jìn)一步設(shè)計(jì)了“一種可擴(kuò)展的電池均衡保護(hù)電路”。

圖3 電池均衡保護(hù)裝置功能示意圖

1.2 多繞組變壓器一體同步主動(dòng)均衡裝置特性測(cè)試

針對(duì)三元鋰及磷酸鐵鋰電池組，對(duì)該文裝置進(jìn)行電性測(cè)試驗(yàn)證，電池壓差可控制在10mV以內(nèi)。不同于被動(dòng)均衡只能充電時(shí)均衡，該文裝置在充電/放電/靜止?fàn)顟B(tài)下檢測(cè)到電池壓差大于設(shè)定值時(shí)，可自動(dòng)啟動(dòng)均衡工作。采用16串16Ah磷酸鐵鋰電池實(shí)測(cè)其最大均衡電流，可達(dá)5A，并且電池間壓差越大，均衡電流越大，如圖4所示。同時(shí)，實(shí)測(cè)可知該文裝置具有溫度保護(hù)、過流保護(hù)、欠壓保護(hù)和自動(dòng)休眠功能，初步計(jì)算均衡效率可達(dá)97%。實(shí)裝尺寸約70mm×64mm×19mm，質(zhì)量約120g，體積小巧且散熱好。根據(jù)上述特性測(cè)試可知，理論上該主動(dòng)均衡裝置可在換電電池組內(nèi)部使用，能有效解決電池單體均衡的問題，并能確保電能系統(tǒng)正常工作，滿足其“安全性、持久性和可靠性”的需求。

圖4 電池組最大壓差ΔV與均衡電流I曲線（16S-16Ah示例）

2 換電鋰電池組延壽的實(shí)用驗(yàn)證

2.1 驗(yàn)證用換電電池增裝方式

選取某換電運(yùn)營(yíng)商福州倉(cāng)庫(kù)舊電池組進(jìn)行電池組實(shí)裝均衡裝置驗(yàn)證。庫(kù)存電池組為換電用電池組，多用于即時(shí)配送等高強(qiáng)度應(yīng)用場(chǎng)景，使用環(huán)境為福建坑洼、多雨、陡峭區(qū)域。電池組規(guī)格有48V/25Ah與60V/20Ah共2種規(guī)格，分別對(duì)應(yīng)16串與20串電池組。電池組距生產(chǎn)年限多在1～2年，經(jīng)過多次充、放電，內(nèi)部電解液枯竭，化學(xué)物質(zhì)活性降低，電池內(nèi)阻均有不同程度升高，相關(guān)電芯間內(nèi)阻差異較大，導(dǎo)致電池組各串電池電壓壓差變大，電池組容量縮水，影響續(xù)航里程與壽命。當(dāng)壓差大于500mV時(shí)會(huì)出現(xiàn)起步斷電和充電、使用時(shí)間短的現(xiàn)象。從倉(cāng)庫(kù)中選取部分舊電池進(jìn)行增裝主動(dòng)均衡裝置的負(fù)載放電驗(yàn)證與路跑對(duì)比驗(yàn)證。

增裝主動(dòng)均衡模組的步驟如下：1）初容量檢測(cè)。對(duì)上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)篩選出的具有壓差的電池，使用負(fù)載放電進(jìn)行電池容量計(jì)算。2）連接電芯。使用定制的電池轉(zhuǎn)接線或直接焊接，使均衡模組連接電池電芯。3）確認(rèn)極性。防止錯(cuò)誤連接線極性導(dǎo)致燒板。4）連接BMS。使用轉(zhuǎn)接線連接模組與電池BMS，從通信口讀取BMS數(shù)據(jù)，確認(rèn)連接情況。5）使用轉(zhuǎn)接線連接均衡模組，確認(rèn)均衡模組工作指示正常。6）固定安裝。將均衡模組固定在電池內(nèi)部的合適位置，使用輔材確保電池使用過程中不會(huì)脫線、擠壓和晃動(dòng)。

2.2 增裝主動(dòng)均衡裝置負(fù)載放電驗(yàn)證

對(duì)樣品一進(jìn)行電池容量提升的負(fù)載放電驗(yàn)證。增裝主動(dòng)均衡裝置后，在實(shí)驗(yàn)室（室溫25℃）使用8Ω水泥電阻進(jìn)行2.5A（0.1CC）直流充、放電。樣品一充放電5次循環(huán)試驗(yàn)如圖5所示，可見樣品一電池容量經(jīng)過5次循環(huán)后，由最初的69.04%提升至90.02%，提升效果明顯。

圖5 樣品一充放電5次循環(huán)試驗(yàn)

2.3 增裝主動(dòng)均衡路跑放電驗(yàn)證

對(duì)樣品二、樣品三進(jìn)行路跑里程提升驗(yàn)證，并和正常運(yùn)營(yíng)電池進(jìn)行比較。試驗(yàn)在2022年12月進(jìn)行，試驗(yàn)時(shí)外部氣溫約為8℃～15℃，試驗(yàn)用兩輪電動(dòng)車為一輛六成新騎手外賣專用車，騎乘人員體重88kg，路跑區(qū)域主要為福州市區(qū)。

對(duì)樣品二、樣品三增裝主動(dòng)均衡模組后，經(jīng)3次充滿電并路跑至斷電，樣品二增程7km～45.9km，樣品三增程13km～45.3km，如圖6所示。與對(duì)照組電池行程相當(dāng)（對(duì)照組電池行程為44km）。該試驗(yàn)測(cè)算1Ah行程為2.55km，屬于正常范圍（正常范圍約為1Ah 2km～3km）。

圖6 試驗(yàn)樣品路跑對(duì)比數(shù)據(jù)

根據(jù)上述試驗(yàn)可知，增裝主動(dòng)均衡裝置后，電池單體的容量及其對(duì)應(yīng)里程得到了有效提升。后續(xù)經(jīng)擴(kuò)大驗(yàn)證可知，所選電池增裝主動(dòng)均衡裝置后經(jīng)過3～5次充放電循環(huán)，均有不同程度的容量恢復(fù)，多數(shù)可提升至標(biāo)稱容量的80%以上，容量恢復(fù)效果顯著。

3 結(jié)論

對(duì)電動(dòng)兩輪車共享鋰電池組增裝多繞組變壓器一體同步主動(dòng)均衡裝置，能以更節(jié)能、環(huán)保的方式充分利用電池的有效設(shè)計(jì)容量，最大化利用電池的效能，延長(zhǎng)電池使用壽命，降低投入成本，緩解電池庫(kù)存壓力。根據(jù)試驗(yàn)可知，增裝主動(dòng)均衡模組可以延長(zhǎng)電動(dòng)兩輪車共享鋰電池組壽命，理論上可使舊電池的利用達(dá)到理論循環(huán)次數(shù)，實(shí)際中視使用頻率和電池化學(xué)特性有所差異。試驗(yàn)證明，增裝主動(dòng)均衡模組并經(jīng)過3～5次充放電循環(huán)后，舊電池組的容量得到顯著提升，驗(yàn)證可達(dá)標(biāo)稱容量的80%以上，顯著延長(zhǎng)了電池組的工作時(shí)間。

不過變壓器式主動(dòng)均衡也存在使用局限?；陔姵貕翰罹獾脑恚瑝翰钤酱?，均衡電流越大，1V壓差對(duì)應(yīng)約5A均衡電流，對(duì)5度電以內(nèi)的電池組來說是很高的均衡效率，但是在更大容量（如汽車動(dòng)力）電池方面的應(yīng)用還略顯局限。換電電池多數(shù)為1度～3度電，使用該方式是可靠且有效的。按某換電運(yùn)營(yíng)商部分庫(kù)存電池樣本統(tǒng)計(jì)，約70%的電池組可進(jìn)行增裝使用。隨著庫(kù)存電池存放越久，相關(guān)化學(xué)反應(yīng)持續(xù)發(fā)生不可逆變化，越早進(jìn)行篩選增裝，可越早發(fā)揮庫(kù)存電池價(jià)值，降低庫(kù)存電池壓力。電池的均衡可隨著電池全生命周期，增裝主動(dòng)均衡可有效延長(zhǎng)庫(kù)存電池使用壽命已經(jīng)得到驗(yàn)證，可進(jìn)一步考慮在新電池上加裝主動(dòng)均衡模組，以便在電池組使用生命周期開始就完全發(fā)揮電池效力，排除不均衡問題。