新能源車輛的動(dòng)力電池組均衡管理系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀概述
新能源車輛的開(kāi)發(fā)和研究已經(jīng)是時(shí)代的主流，其中電動(dòng)汽車受到了市場(chǎng)越來(lái)越多的關(guān)注，在電動(dòng)汽車中，電池系統(tǒng)是重要組成部分，特別是鋰電池在交通領(lǐng)域的應(yīng)用，對(duì)于減少溫室氣體的排放、降低大氣污染以及新能源的應(yīng)用有著重要的意義。目前，電動(dòng)汽車存在安全性低、壽命段、充電時(shí)間長(zhǎng)和使用成本高的問(wèn)題，而電池管理系統(tǒng)作為電池保護(hù)和管理的核心部件，作為電池和車輛管理系統(tǒng)以及駕駛者溝通的橋梁，電池管理系統(tǒng)對(duì)于電動(dòng)汽車性能起著越來(lái)越關(guān)鍵的作用。本文介紹了電池組均衡管理的技術(shù)發(fā)展歷程、專利申請(qǐng)情況和涉及的主要申請(qǐng)人。
隨著能源緊缺、城市環(huán)境污染的日益嚴(yán)重，替代石油的新能源在車輛的開(kāi)發(fā)利用被各國(guó)政府越來(lái)越重視。而動(dòng)力電池是電動(dòng)汽車的核心部件，目前車輛的動(dòng)力電池存在能量密度低、價(jià)格高、壽命短等缺點(diǎn)，而鋰電池在使用一段時(shí)間以后，電池單體性能差異在整個(gè)生命周期內(nèi)客觀存在，直接影響到動(dòng)力電池組的使用壽命，為此，需要給予動(dòng)力電池能源控制和管理，使得動(dòng)力電池性能得到一定的提升。
目前，美國(guó)電動(dòng)車公司生產(chǎn)的特斯拉純高級(jí)電動(dòng)汽車（tesla）之所以取得成功，其核心技術(shù)就是優(yōu)異的電池管理技術(shù)，采用了兩千多塊鋰電池進(jìn)行串并聯(lián)設(shè)計(jì)，可以維持整個(gè)電池包的工作狀態(tài)以及監(jiān)控每個(gè)電池單元的系統(tǒng)來(lái)確保電池的高性能，使得車輛具備穩(wěn)定的動(dòng)力性能和優(yōu)良的安全性能，具有快速充電技術(shù)，將充電時(shí)間縮短到合理的水平，在電動(dòng)車領(lǐng)域突破了技術(shù)上的瓶頸，取得了成功，實(shí)現(xiàn)了從實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)向批量生產(chǎn)，對(duì)汽車行業(yè)有著重大突破意義。
電池組均衡管理概述
我國(guó)《新能源汽車生產(chǎn)企業(yè)及產(chǎn)品準(zhǔn)入管理規(guī)則》已于2023年7月1日正式實(shí)施，其中電動(dòng)汽車的開(kāi)發(fā)研究已經(jīng)被納入重大項(xiàng)目。
目前，電池組在多次充/放電循環(huán)后各單體電池出現(xiàn)電壓或者電量不一致的情況，因?yàn)楦鲉误w電池之間不均衡會(huì)減少電池組的所能輸出的最大能量和循環(huán)壽命，進(jìn)而導(dǎo)致電動(dòng)汽車的動(dòng)力性能受到較大影響。
電池組均衡管理，用于使單體電池均衡充電、放電，保持動(dòng)態(tài)平衡，使電池組中各個(gè)電池都達(dá)到均衡一致的狀態(tài)。其中，充電均衡一般在充電過(guò)程中后期，通過(guò)均衡電路來(lái)限制單體電池電壓不高于充電截至電壓；放電均衡是在電池組放電時(shí)，通過(guò)補(bǔ)充電能使單體電池電壓不低于放電終止電壓。由于均衡管理與動(dòng)力電池組的使用壽命有直接的關(guān)系，因此均衡技術(shù)是電池能量管理系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)。
電池組均衡管理的技術(shù)
目前電池組均衡管理技術(shù)，從被動(dòng)均衡和主動(dòng)均衡的角度，可以將電池組均衡管理技術(shù)分為兩個(gè)大類。在被動(dòng)均衡中，主要是通過(guò)旁路開(kāi)關(guān)和電阻對(duì)電池組多余的能量進(jìn)行消耗；而在主動(dòng)均衡中，均衡電路可以通過(guò)將外部能量轉(zhuǎn)換后用于均衡，也可以利用電池組自身能量轉(zhuǎn)移后實(shí)現(xiàn)均衡，還可以通過(guò)改變電池組單體之間的串并聯(lián)連接關(guān)系來(lái)實(shí)現(xiàn)均衡，以及實(shí)現(xiàn)不同電池組之間的均衡。
以下針對(duì)相關(guān)電池組均衡管理技術(shù)進(jìn)行分析：
2.1.旁路消耗法是利用發(fā)熱電阻旁路分流，實(shí)現(xiàn)單體電壓過(guò)高電池的能量消耗來(lái)平衡電池組內(nèi)各單體電池間容量差的目的，消除單體電池電壓的個(gè)體差異對(duì)電池組運(yùn)行的影響。旁路消耗法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是能量損耗大，均衡效率低，且發(fā)熱較嚴(yán)重。
2.2.能量轉(zhuǎn)移型均衡是利用電感或電容等儲(chǔ)能元件，把鋰離子電池組中容量高的單體電池中的能量轉(zhuǎn)移到容量比較低的電池上。其均衡電路往往是通過(guò)切換開(kāi)關(guān)，將單體電池多余的能量由儲(chǔ)能元件傳遞相鄰的單體電池，從而達(dá)到均衡的目的。
2.3.是能量轉(zhuǎn)換型均衡，這種均衡方法是利用電壓/電流轉(zhuǎn)換器件將能量從外部提供給電池組或者電池組中部分需要均衡的單體電池。由于電壓/電流轉(zhuǎn)換器件較為典型的就是變壓器，因此該均衡方式多是利用變壓器作為電池均衡電路的拓?fù)浠A(chǔ)，采用分散或者集中的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)單向或者雙向的充電。
2.4.串/并轉(zhuǎn)換充放電均衡是通過(guò)簡(jiǎn)單的變換電池組各單體電池之間的電路連接關(guān)系，使得電池組各單體電池在放電期間是相互串聯(lián)的，而在充電時(shí)各單體電池相互并聯(lián)，這樣保證了在充電過(guò)程中各單體電池的電壓一致性。
2.5.電池組多級(jí)均衡是將串聯(lián)電池組分為多個(gè)電池模塊，每個(gè)電池模塊包括多個(gè)單體電池，分別對(duì)電池模塊內(nèi)部的單體電池和電池模塊之間進(jìn)行均衡，這種方法可以提高均衡效率和能量利用率，使所有電池能快速、平滑地實(shí)現(xiàn)電壓均衡。
2.6.均衡模塊結(jié)構(gòu)設(shè)置的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)分，可分為集中均衡（單一均衡模塊利用開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生輸出）和獨(dú)立均衡（多個(gè)均衡模塊輸出充電）。集中均衡運(yùn)用了分時(shí)原理，通過(guò)開(kāi)關(guān)組件的控制和切換，使充電過(guò)程中有額外的電流流入電壓相對(duì)較低的電池中以達(dá)到均衡充電的目的。
目前各國(guó)都在大力研發(fā)新能源汽車，電池組均衡管理技術(shù)手段已經(jīng)發(fā)展到多樣化，隨著均衡技術(shù)的深入研究，人們對(duì)電動(dòng)汽車的安全性要求也日益提高，使得電動(dòng)汽車上電池組的安全性得到了進(jìn)一步的重視，在實(shí)現(xiàn)電池組電壓均衡的同時(shí)應(yīng)該更加關(guān)注能量的利用效率，使其發(fā)展成為一個(gè)綜合型能量管理控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車的市場(chǎng)化。
同時(shí)也應(yīng)該注意到，日本諸多企業(yè)在電池主動(dòng)均衡和被動(dòng)均衡方面的研究起步較早，并且隨著時(shí)間的推移，對(duì)各均衡技術(shù)手段的研究更為深入和廣泛，能夠提出諸多較為新穎的均衡電路及控制方法；而國(guó)內(nèi)各企業(yè)在該技術(shù)領(lǐng)域起步較晚，雖然也開(kāi)始普遍關(guān)注電池組均衡管理技術(shù)，但是大多是在現(xiàn)有均衡電路的局部作出改進(jìn)，而缺乏在電池組均衡手段整體上的作出改進(jìn)和創(chuàng)新，因此以后還需要在技術(shù)層面上多做深入研究，開(kāi)拓研發(fā)思路。
