轉移式電池均衡技術在電動汽車中的應用研究

劉宏南

(阜新高等專科學校，遼寧 阜新 123000)

0　引　言

在綠色生活理念下，人們需要從衣食住行等各個方面進行節能減排。對于出行的交通工具來說，除了自行車、公共交通設施等低碳環保出行方式外，還可以選擇電動汽車。電動汽車摒棄了傳統汽車的燃油廢氣排放，降低了空氣的污染。而在電動汽車中，電池扮演著重要的角色——動力源泉。電池組是否能夠供應電動汽車長途行駛，保障穩定狀態，受電池的原材料、電池的制造工藝以及電池所處的客觀環境影響。作為電動汽車中非常重要的一部分，如何保護電池，增加續航時間，是我們要考慮的問題。在汽車的構件組成中，除了汽車框架結構以及輔助設施外，最重要的是供能結構。普通汽車多采用燃油模式，但是在供能結構中仍然要配置一到兩塊鉛酸蓄電池，在普通汽車中，電池的使用主要是為了汽車電氣設備的運行以及汽車的啟動。而對于電動汽車來說，顧名思義，需要電池作為供能主要來源，電動汽車中至少需要四塊鉛酸蓄電池甚至更多的電池，提供更大的電能儲備。電動汽車所使用的電池要以串聯的方式組合成電池組，在汽車行駛過程中共同作用，共同發電。電池的選擇也是十分關鍵的，為什么不選擇其他種類的電池，是因為一些電池的單體電壓相對較低，比如常用的鎳氫電池和鋰電池。這兩種電池如果要在電動汽車中投入使用，則會需要驚人的數量。將這些數量巨大的電池串聯在一起則會加大電池組電壓不均衡的問題，導致電池組的能效大大降低，影響電動汽車的實際運行。基于這些原因考慮，無論是以什么模式串聯的電池組，在受外界條件影響的情況下，都有可能出現電池組電壓不均衡的問題，而這也是電池保護工作中急需解決的問題。采用轉移式電池均衡技術對供電電池組的電壓進行有效調節，是一種主動均衡技術。轉移式電池電壓均衡技術能夠將相鄰的電池之間的電壓差值降低到最小，大大提升了電池組電壓的穩定程度，實現了科學延長電動汽車電池組使用壽命的目標。

1　電動汽車的發展狀況

1.1　國內電動汽車的發展狀況

綠色生活理念逐漸被人們所接受和推崇，而在工業生產行業，也在推行新能源的使用和對化石能源的節約。在汽車行業發展規劃的新時期背景下，節能減排逐漸成為了各汽車企業所關注的問題，順應節能號召的要求，以及對新能源發展的推進，國內許多汽車企業將目光聚集在使用新能源的電動汽車上。汽車企業不斷推陳出新，研發出具有企業特色的混合動力車和純電動汽車。可以說，這是國內汽車行業在新形勢下的發展和突破，也將會成為整個汽車行業的發展趨勢和前景。

但是雖然國內汽車銷售量逐年增長，買車的人越來越多，但是對于電動汽車這種新型汽車，接受程度還遠遠不夠，相關汽車企業的電動汽車銷量在近幾年都不算理想。連續幾年電動汽車的銷量都只能維持在七八千輛，年銷量無法破萬。但是2012年我國國務院下發的《2012 年～2020 年的新能源汽車產業發展規劃》中明確指出，到2015年年底實現500 000輛電動汽車行駛在道路上，到2020年年底實現五百萬輛電動汽車行駛在道路上。然而實際上，到去年年底我國電動汽車產業從2012年開始的電動汽車銷量才不過幾萬臺。但是，即便是銷售情況不夠樂觀，我們也不能夠放棄對汽車行業的這一改革模式。在2014年國家相關部門審批通過了《政府機關及公共機構購買新能源汽車實施方案》，這一方案是國家機關事務管理局、科技部、財政部、工業和信息化部以及國家發展和改革委員換共同定制。為了能夠促進電動汽車行業的發展，突破當前的銷售困難，國家相關部門通過此舉支持了純電動汽車，插電式混合動力汽車等新型電動汽車的發展。

電動汽車為什么會面臨這樣的發展困境？觀察電動汽車的發展環境以及技術支持，發現制約和限制電動汽車發展的客觀條件有很多，其中包括國家政策，汽車電池的充電時間，汽車企業的售后服務，電動汽車的價格，單次充電續航時間，充電的方便程度，電池循環使用壽命以及電池的續航里程等。然而與普通汽車相比，電動汽車在售價、行駛里程等方面都處劣勢地位。目前的電動汽車的電池壽命相對較短，且在汽車行駛途中充電又不夠方便，電動汽車的造價又普遍較高，這些都制約著電動汽車的發展。目前，國家政策已經對電動汽車提供了支持，而電池的續航里程等問題也可以通過增加電池容量來得到解決，我們所面對的最棘手的問題是如何提高電池循環使用壽命，而這一問題也是影響電動汽車行業發展的最根本的問題，同樣也是最難以解決的大問題。

1.2　制約電動汽車發展的技術問題

在電動汽車的電池選擇中，有時會選擇鋰離子電池，單體鋰離子電池的循環使用壽命為5 000次，但是將電池進行組合后，電池組的壽命只能達到1 500次左右，不僅如此還需要人工的維護才能夠達到，不然循環次數則會更少，如果維護不當，或是疏于維護，那么該電池組的循環次數只能達到200次，甚至幾十次。可以想象，如果一輛電動汽車的電池只充電幾十次就需要換新的電池，對于汽車用戶來說，這將是十分糟糕的體驗，不僅給用戶增加了麻煩而且還提高了汽車的維護成本，這就使得更少的人選擇電動汽車。對于這種情況，國內國外的汽車制造商不斷發現電池組存在的問題并進行更新和改革，使用新技術提高電池質量，管理電池的一致性，試圖實現對電池壽命過短的問題的有效解決。但是，這些手段收效甚微，無法達到預期把控目標，給汽車電池管理帶來了麻煩。電池管理系統的造價十分昂貴，而在對電池進行管理的過程中又會消耗大量的能源，這就違背了節能的初衷，更何況電池管理的實現程度不高。一些汽車制造商雖然對電動汽車抱有希望，并投入生產，但是電池的壽命問題給汽車制造商帶來了大問題，雖然不斷有新的樣車推出但是無法投入到售賣中，電動汽車真正實現商業化的發展還需要時間和技術的支持。

在電動汽車使用過程中，電池組由于組內串聯的電池之間的電壓失衡問題無法得到高效解決，技術人員在不斷地配組之后，依然達不到預期目標，在電池組經過若干次充電放電實驗循環之后，電池之間的電壓又會趨于失衡，導致電池組中的電池受到損害，最后導致電池組失效，損害。在電池組充電放電的過程中，電壓失衡的情況逐漸嚴重，所采取的電池管理手段失效，電池也隨之失效，這個程度上的電池無法進行有效的電力輸入和輸出，損壞的電池會影響電池組中的其他電池構件，導致電池組的溫度升高，使電池組處在電力危險的狀態下，影響使用壽命和續航里程。但是，研究者發現，雖然電池組裝存在著電壓不均衡的問題，但是在對電池組的使用過程中，可以在電池組的外電路上安裝電池均衡器，這種電池均衡器要具有充電和放電功能，在電池外部進行均衡改善電池組內部電壓穩定性的技術方法能夠更好地解決電池組電壓不穩的問題，給電動汽車電池續航里程和循環使用壽命的增加提供了可能。

2　當前的電池組管理方法

在當前的電動汽車電池的管理中，一些汽車企業不使用電池均衡手段，這些汽車企業制造的電動汽車普遍采用鉛酸電池組，當電池組失效后，對電池組進行整組的更換。這也是當前對電動汽車電池管理的最普遍的方式，然而這種方式無法解決電動汽車電池所存在的根本問題，更換電池后電池使用壽命問題還是會出現，所以要進行周而復始的更換，十分麻煩。除此之外，一些電動汽車采用電池管理系統BMS (Battery Manage-ment System)對電池進行管理，通過對電池組中的每塊電池進行檢測，控制電池組的電壓平衡，電池組溫度以及電流等數據，在實時的把控中發現故障，進行處理，圖1所示為電動車用電池管理系統結構框圖。

圖1　電動車用電池管理系統結構框圖

3　電池均衡技術

在對電池組的電壓穩定性的管理中，電池均衡技術可以說是最有效且最有發展前景的技術手段。上文說過，當電池串聯成電池組之后會產生電池之間的電壓分布不均衡的問題，即便是同一個廠家生產出的統一型號的電池，在進行組合后也無法避免電壓不均衡的問題出現。研究者們不斷地對電池均衡技術進行研究和探索。但是由于實驗驗證需要條件復雜，且實際成功性小，許多科研人員對新的電池均衡技術的研究還只能是紙上談兵，無法落實到實踐中去，更不能投入到真實的生產當中。在電池組的組配中很難通過改變電池制造工藝來提高電池組的電壓穩定性和使用壽命，所以在電池管理技術中，常常通過增加輔助電路來進行合適的調配，力求在此基礎上降低電壓的差值。在對電池的管理工作中，技術人員將均衡設備的電能損耗的程度作為電池等級的劃分標準，主要分為低損耗型和純損耗型兩種，其中低損耗型更多的被使用，純耗能型的電壓均衡器通過消耗電壓較高的電池電量，實現電池組的電壓平衡，這種均衡方法只能均衡電池充電時的電壓，不能在電池使用過程中對電池電壓的控制和均衡。這種均衡器的耗能大，溫度高而且效率低并存在著一定的安全隱患，不利于電池的使用。相比之下，低損耗型的均衡器能夠實現更高效的均衡，對電能的消耗也比較小，最主要的是在電池的整個使用過程中，無論是電力的輸入階段還是輸出階段都能夠實現對電池組電壓的均衡作用，但是這種無損型的電壓均衡器的技術難度很大，所以還需要科技人員不斷發展和研究才能夠使用。

4　轉移式電池均衡技術

在對電池的電控制過程中，科學研究人員們積極探索，研制出了轉移式電池均衡技術，這種技術手段的使用能夠使得電池組的電壓失衡問題得到高效地解決，在目前階段已經達到了對原有技術的突破。通過轉移式電池均衡技術對電池組進行控制，是一種主動均衡的方法，能夠有效解決電池在充電和放電時所出現的電壓不均衡問題，達到真正的節能和新能源使用的目的。轉移式電池均衡技術能夠主動地促進電池組內電能的轉移，使電能在轉移的過程中實現電池組的動態平衡，減少部分電池電壓過高的失衡狀態。對部分電壓過高的電池電壓進行降低，并提高電壓過低的電池的電壓，在一升一降中獲得均衡狀態。不僅如此，轉移式電池均衡技術可以使電池組在不進行電力輸入和輸出的空閑時間，進行恢復，主動進行電壓的均衡和調節，在下一次使用時就可以從穩定狀態開始，并在此循環轉移電能的均衡模式，使得電池無論是在使用時還是不使用時都能夠實現主動的均衡作用，保障了電池的循環使用壽命，并增加了電池的續航里程。轉移式電池均衡技術能夠將電流進行傳遞和調整，主要是根據電池組中相鄰的電池之間的電壓差來進行的，通過降低電壓差的方式來控制電壓的均衡程度。轉移式電池均衡技術能夠對所使用的控制電流方向、大小的控制，嚴格按照電池所需的均衡模式來進行調節，且不消耗電池中的電能。

轉移式電池均衡器安裝也十分方便和科學，摒棄了對電池的電能消耗，采用并聯的方式，安裝在電池組的節點上，電池組中的電池都采用串聯方式，所以均衡器的并聯并不影響電池組的放電和充電。并聯的好處還體現在對不同數量的電池組的控制，有些電池組中串聯的電池數量較多，而轉移式電池均衡不受其限制，不因為數量的多少而增加難度系數，可以與電池組中的任何節點相連接。而轉移式電池均衡器不使用專業芯片，減少成本價格，利用普通電子元器件進行設計和開發。轉移式電池均衡技術通過對相鄰電池之間的電壓差值的判斷來進行控制，這也是這項技術的核心，也正因為這一設計，使得對電池電壓的均衡得以實現。轉移式電池均衡及時在電池外部對電池電壓進行調節，電池組中的單體電池的電壓和所儲備的電能都能夠得到主動均衡。電池組中相鄰單體電池的電壓差保持在最小值，穩定高效。在電池組進行充電的過程中，電池均衡技術能夠對低電壓的單體電池的電流進行增加，提高其電壓；在電池組使用過程中，對電池組中的高電壓的單體電池的放電電流進行增加，以此降低其電壓。而當電池組既不充電也不放電時，就把電池組中電壓較高的電池所儲備的電能轉移到電壓較低的電池中去，在動態穩定中實現對電壓差的自動調節，恢復電池電壓的均衡。這種主動的，自動化的電池均衡控制手段，能夠對電池內部電壓、電流以及電能儲備進行高效調節，使電池組內單個電池的電壓差值得到調節，電池組的循環使用壽命得到增加，很大程度上解決電動汽車中的電池循環使用壽命過短的問題。

經過研究者的實驗得出結論，在電池組上連接轉移式電池均衡器，無論是鋰電池還是鎳氫電池，在充電、放電的反復循環實驗中，電池組內部的電壓差值一直保持在最小，電池組的電壓能夠得到有效的控制。而并聯在電池組上的均衡器受電池組的影響也很小，在充電放電過程中基本上不會發生大幅度的溫度升高，溫度保持在合理的范圍內。即便是采用了較大的充電、放電電流，電池均衡器的溫度也只是進行的短時間的升溫，并能夠在電流輸入停止后恢復到初始溫度，不影響實驗的繼續進行。一般情況來說，在電動汽車的電池使用過程中，其充電、放電時間相對于靜止時間來說是很少的，轉移式電池均衡技術能夠保證電池在充電放電以及靜止的狀態下都能夠得到均衡和調控。

5　結束語

綜上所述，在電動汽車的發展過程中，節能和新能源的使用是其最初的理念核心，然而汽車制造商真正將電動汽車或混合動能汽車投入到市場中時，取得的銷售效果是很不理想的，這種不理想效果的產生有多種原因，而最重要的原因則是其內在因素決定的。電動汽車所使用的電池組的循環使用壽命有限，且電動汽車的造價相對較高，導致汽車用戶在選擇時更偏向于普通汽車。如何有效解決電池組的電壓失衡問題，從而提高電池組的使用壽命是研究者們不斷探究的重要話題。轉移式電池均衡技術的出現，為提高電池組的續航里程和使用壽命提供了技術支持。該技術通過外部并聯的方式對電池組內部電池之間的電壓差進行控制，實現對電池組電壓的均衡，從而達到預期目的。這種自動電壓均衡技術的使用，給電動汽車行業的發展帶來了新的前景和希望。

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