轉(zhuǎn)移式電池均衡技術(shù)在電動(dòng)汽車(chē)中的應(yīng)用研究

劉宏南

(阜新高等專科學(xué)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(gè)方面進(jìn)行節(jié)能減排。對(duì)于出行的交通工具來(lái)說(shuō)，除了自行車(chē)、公共交通設(shè)施等低碳環(huán)保出行方式外，還可以選擇電動(dòng)汽車(chē)。電動(dòng)汽車(chē)摒棄了傳統(tǒng)汽車(chē)的燃油廢氣排放，降低了空氣的污染。而在電動(dòng)汽車(chē)中，電池扮演著重要的角色——?jiǎng)恿υ慈ｋ姵亟M是否能夠供應(yīng)電動(dòng)汽車(chē)長(zhǎng)途行駛，保障穩(wěn)定狀態(tài)，受電池的原材料、電池的制造工藝以及電池所處的客觀環(huán)境影響。作為電動(dòng)汽車(chē)中非常重要的一部分，如何保護(hù)電池，增加續(xù)航時(shí)間，是我們要考慮的問(wèn)題。在汽車(chē)的構(gòu)件組成中，除了汽車(chē)框架結(jié)構(gòu)以及輔助設(shè)施外，最重要的是供能結(jié)構(gòu)。普通汽車(chē)多采用燃油模式，但是在供能結(jié)構(gòu)中仍然要配置一到兩塊鉛酸蓄電池，在普通汽車(chē)中，電池的使用主要是為了汽車(chē)電氣設(shè)備的運(yùn)行以及汽車(chē)的啟動(dòng)。而對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)來(lái)說(shuō)，顧名思義，需要電池作為供能主要來(lái)源，電動(dòng)汽車(chē)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(chǔ)備。電動(dòng)汽車(chē)所使用的電池要以串聯(lián)的方式組合成電池組，在汽車(chē)行駛過(guò)程中共同作用，共同發(fā)電。電池的選擇也是十分關(guān)鍵的，為什么不選擇其他種類的電池，是因?yàn)橐恍╇姵氐膯误w電壓相對(duì)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(dòng)汽車(chē)中投入使用，則會(huì)需要驚人的數(shù)量。將這些數(shù)量巨大的電池串聯(lián)在一起則會(huì)加大電池組電壓不均衡的問(wèn)題，導(dǎo)致電池組的能效大大降低，影響電動(dòng)汽車(chē)的實(shí)際運(yùn)行。基于這些原因考慮，無(wú)論是以什么模式串聯(lián)的電池組，在受外界條件影響的情況下，都有可能出現(xiàn)電池組電壓不均衡的問(wèn)題，而這也是電池保護(hù)工作中急需解決的問(wèn)題。采用轉(zhuǎn)移式電池均衡技術(shù)對(duì)供電電池組的電壓進(jìn)行有效調(diào)節(jié)，是一種主動(dòng)均衡技術(shù)。轉(zhuǎn)移式電池電壓均衡技術(shù)能夠?qū)⑾噜彽碾姵刂g的電壓差值降低到最小，大大提升了電池組電壓的穩(wěn)定程度，實(shí)現(xiàn)了科學(xué)延長(zhǎng)電動(dòng)汽車(chē)電池組使用壽命的目標(biāo)。

1　電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展?fàn)顩r

1.1　國(guó)內(nèi)電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展?fàn)顩r

綠色生活理念逐漸被人們所接受和推崇，而在工業(yè)生產(chǎn)行業(yè)，也在推行新能源的使用和對(duì)化石能源的節(jié)約。在汽車(chē)行業(yè)發(fā)展規(guī)劃的新時(shí)期背景下，節(jié)能減排逐漸成為了各汽車(chē)企業(yè)所關(guān)注的問(wèn)題，順應(yīng)節(jié)能號(hào)召的要求，以及對(duì)新能源發(fā)展的推進(jìn)，國(guó)內(nèi)許多汽車(chē)企業(yè)將目光聚集在使用新能源的電動(dòng)汽車(chē)上。汽車(chē)企業(yè)不斷推陳出新，研發(fā)出具有企業(yè)特色的混合動(dòng)力車(chē)和純電動(dòng)汽車(chē)。可以說(shuō)，這是國(guó)內(nèi)汽車(chē)行業(yè)在新形勢(shì)下的發(fā)展和突破，也將會(huì)成為整個(gè)汽車(chē)行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)和前景。

但是雖然國(guó)內(nèi)汽車(chē)銷售量逐年增長(zhǎng)，買(mǎi)車(chē)的人越來(lái)越多，但是對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)這種新型汽車(chē)，接受程度還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，相關(guān)汽車(chē)企業(yè)的電動(dòng)汽車(chē)銷量在近幾年都不算理想。連續(xù)幾年電動(dòng)汽車(chē)的銷量都只能維持在七八千輛，年銷量無(wú)法破萬(wàn)。但是2012年我國(guó)國(guó)務(wù)院下發(fā)的《2012 年～2020 年的新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》中明確指出，到2015年年底實(shí)現(xiàn)500 000輛電動(dòng)汽車(chē)行駛在道路上，到2020年年底實(shí)現(xiàn)五百萬(wàn)輛電動(dòng)汽車(chē)行駛在道路上。然而實(shí)際上，到去年年底我國(guó)電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)從2012年開(kāi)始的電動(dòng)汽車(chē)銷量才不過(guò)幾萬(wàn)臺(tái)。但是，即便是銷售情況不夠樂(lè)觀，我們也不能夠放棄對(duì)汽車(chē)行業(yè)的這一改革模式。在2014年國(guó)家相關(guān)部門(mén)審批通過(guò)了《政府機(jī)關(guān)及公共機(jī)構(gòu)購(gòu)買(mǎi)新能源汽車(chē)實(shí)施方案》，這一方案是國(guó)家機(jī)關(guān)事務(wù)管理局、科技部、財(cái)政部、工業(yè)和信息化部以及國(guó)家發(fā)展和改革委員換共同定制。為了能夠促進(jìn)電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)的發(fā)展，突破當(dāng)前的銷售困難，國(guó)家相關(guān)部門(mén)通過(guò)此舉支持了純電動(dòng)汽車(chē)，插電式混合動(dòng)力汽車(chē)等新型電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展。

電動(dòng)汽車(chē)為什么會(huì)面臨這樣的發(fā)展困境？觀察電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展環(huán)境以及技術(shù)支持，發(fā)現(xiàn)制約和限制電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展的客觀條件有很多，其中包括國(guó)家政策，汽車(chē)電池的充電時(shí)間，汽車(chē)企業(yè)的售后服務(wù)，電動(dòng)汽車(chē)的價(jià)格，單次充電續(xù)航時(shí)間，充電的方便程度，電池循環(huán)使用壽命以及電池的續(xù)航里程等。然而與普通汽車(chē)相比，電動(dòng)汽車(chē)在售價(jià)、行駛里程等方面都處劣勢(shì)地位。目前的電動(dòng)汽車(chē)的電池壽命相對(duì)較短，且在汽車(chē)行駛途中充電又不夠方便，電動(dòng)汽車(chē)的造價(jià)又普遍較高，這些都制約著電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展。目前，國(guó)家政策已經(jīng)對(duì)電動(dòng)汽車(chē)提供了支持，而電池的續(xù)航里程等問(wèn)題也可以通過(guò)增加電池容量來(lái)得到解決，我們所面對(duì)的最棘手的問(wèn)題是如何提高電池循環(huán)使用壽命，而這一問(wèn)題也是影響電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)發(fā)展的最根本的問(wèn)題，同樣也是最難以解決的大問(wèn)題。

1.2　制約電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展的技術(shù)問(wèn)題

在電動(dòng)汽車(chē)的電池選擇中，有時(shí)會(huì)選擇鋰離子電池，單體鋰離子電池的循環(huán)使用壽命為5 000次，但是將電池進(jìn)行組合后，電池組的壽命只能達(dá)到1 500次左右，不僅如此還需要人工的維護(hù)才能夠達(dá)到，不然循環(huán)次數(shù)則會(huì)更少，如果維護(hù)不當(dāng)，或是疏于維護(hù)，那么該電池組的循環(huán)次數(shù)只能達(dá)到200次，甚至幾十次。可以想象，如果一輛電動(dòng)汽車(chē)的電池只充電幾十次就需要換新的電池，對(duì)于汽車(chē)用戶來(lái)說(shuō)，這將是十分糟糕的體驗(yàn)，不僅給用戶增加了麻煩而且還提高了汽車(chē)的維護(hù)成本，這就使得更少的人選擇電動(dòng)汽車(chē)。對(duì)于這種情況，國(guó)內(nèi)國(guó)外的汽車(chē)制造商不斷發(fā)現(xiàn)電池組存在的問(wèn)題并進(jìn)行更新和改革，使用新技術(shù)提高電池質(zhì)量，管理電池的一致性，試圖實(shí)現(xiàn)對(duì)電池壽命過(guò)短的問(wèn)題的有效解決。但是，這些手段收效甚微，無(wú)法達(dá)到預(yù)期把控目標(biāo)，給汽車(chē)電池管理帶來(lái)了麻煩。電池管理系統(tǒng)的造價(jià)十分昂貴，而在對(duì)電池進(jìn)行管理的過(guò)程中又會(huì)消耗大量的能源，這就違背了節(jié)能的初衷，更何況電池管理的實(shí)現(xiàn)程度不高。一些汽車(chē)制造商雖然對(duì)電動(dòng)汽車(chē)抱有希望，并投入生產(chǎn)，但是電池的壽命問(wèn)題給汽車(chē)制造商帶來(lái)了大問(wèn)題，雖然不斷有新的樣車(chē)推出但是無(wú)法投入到售賣(mài)中，電動(dòng)汽車(chē)真正實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的發(fā)展還需要時(shí)間和技術(shù)的支持。

在電動(dòng)汽車(chē)使用過(guò)程中，電池組由于組內(nèi)串聯(lián)的電池之間的電壓失衡問(wèn)題無(wú)法得到高效解決，技術(shù)人員在不斷地配組之后，依然達(dá)不到預(yù)期目標(biāo)，在電池組經(jīng)過(guò)若干次充電放電實(shí)驗(yàn)循環(huán)之后，電池之間的電壓又會(huì)趨于失衡，導(dǎo)致電池組中的電池受到損害，最后導(dǎo)致電池組失效，損害。在電池組充電放電的過(guò)程中，電壓失衡的情況逐漸嚴(yán)重，所采取的電池管理手段失效，電池也隨之失效，這個(gè)程度上的電池?zé)o法進(jìn)行有效的電力輸入和輸出，損壞的電池會(huì)影響電池組中的其他電池構(gòu)件，導(dǎo)致電池組的溫度升高，使電池組處在電力危險(xiǎn)的狀態(tài)下，影響使用壽命和續(xù)航里程。但是，研究者發(fā)現(xiàn)，雖然電池組裝存在著電壓不均衡的問(wèn)題，但是在對(duì)電池組的使用過(guò)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(jìn)行均衡改善電池組內(nèi)部電壓穩(wěn)定性的技術(shù)方法能夠更好地解決電池組電壓不穩(wěn)的問(wèn)題，給電動(dòng)汽車(chē)電池續(xù)航里程和循環(huán)使用壽命的增加提供了可能。

2　當(dāng)前的電池組管理方法

在當(dāng)前的電動(dòng)汽車(chē)電池的管理中，一些汽車(chē)企業(yè)不使用電池均衡手段，這些汽車(chē)企業(yè)制造的電動(dòng)汽車(chē)普遍采用鉛酸電池組，當(dāng)電池組失效后，對(duì)電池組進(jìn)行整組的更換。這也是當(dāng)前對(duì)電動(dòng)汽車(chē)電池管理的最普遍的方式，然而這種方式無(wú)法解決電動(dòng)汽車(chē)電池所存在的根本問(wèn)題，更換電池后電池使用壽命問(wèn)題還是會(huì)出現(xiàn)，所以要進(jìn)行周而復(fù)始的更換，十分麻煩。除此之外，一些電動(dòng)汽車(chē)采用電池管理系統(tǒng)BMS (Battery Manage-ment System)對(duì)電池進(jìn)行管理，通過(guò)對(duì)電池組中的每塊電池進(jìn)行檢測(cè)，控制電池組的電壓平衡，電池組溫度以及電流等數(shù)據(jù)，在實(shí)時(shí)的把控中發(fā)現(xiàn)故障，進(jìn)行處理，圖1所示為電動(dòng)車(chē)用電池管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

圖1　電動(dòng)車(chē)用電池管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3　電池均衡技術(shù)

在對(duì)電池組的電壓穩(wěn)定性的管理中，電池均衡技術(shù)可以說(shuō)是最有效且最有發(fā)展前景的技術(shù)手段。上文說(shuō)過(guò)，當(dāng)電池串聯(lián)成電池組之后會(huì)產(chǎn)生電池之間的電壓分布不均衡的問(wèn)題，即便是同一個(gè)廠家生產(chǎn)出的統(tǒng)一型號(hào)的電池，在進(jìn)行組合后也無(wú)法避免電壓不均衡的問(wèn)題出現(xiàn)。研究者們不斷地對(duì)電池均衡技術(shù)進(jìn)行研究和探索。但是由于實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證需要條件復(fù)雜，且實(shí)際成功性小，許多科研人員對(duì)新的電池均衡技術(shù)的研究還只能是紙上談兵，無(wú)法落實(shí)到實(shí)踐中去，更不能投入到真實(shí)的生產(chǎn)當(dāng)中。在電池組的組配中很難通過(guò)改變電池制造工藝來(lái)提高電池組的電壓穩(wěn)定性和使用壽命，所以在電池管理技術(shù)中，常常通過(guò)增加輔助電路來(lái)進(jìn)行合適的調(diào)配，力求在此基礎(chǔ)上降低電壓的差值。在對(duì)電池的管理工作中，技術(shù)人員將均衡設(shè)備的電能損耗的程度作為電池等級(jí)的劃分標(biāo)準(zhǔn)，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(guò)消耗電壓較高的電池電量，實(shí)現(xiàn)電池組的電壓平衡，這種均衡方法只能均衡電池充電時(shí)的電壓，不能在電池使用過(guò)程中對(duì)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?qū)崿F(xiàn)更高效的均衡，對(duì)電能的消耗也比較小，最主要的是在電池的整個(gè)使用過(guò)程中，無(wú)論是電力的輸入階段還是輸出階段都能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電池組電壓的均衡作用，但是這種無(wú)損型的電壓均衡器的技術(shù)難度很大，所以還需要科技人員不斷發(fā)展和研究才能夠使用。

4　轉(zhuǎn)移式電池均衡技術(shù)

在對(duì)電池的電控制過(guò)程中，科學(xué)研究人員們積極探索，研制出了轉(zhuǎn)移式電池均衡技術(shù)，這種技術(shù)手段的使用能夠使得電池組的電壓失衡問(wèn)題得到高效地解決，在目前階段已經(jīng)達(dá)到了對(duì)原有技術(shù)的突破。通過(guò)轉(zhuǎn)移式電池均衡技術(shù)對(duì)電池組進(jìn)行控制，是一種主動(dòng)均衡的方法，能夠有效解決電池在充電和放電時(shí)所出現(xiàn)的電壓不均衡問(wèn)題，達(dá)到真正的節(jié)能和新能源使用的目的。轉(zhuǎn)移式電池均衡技術(shù)能夠主動(dòng)地促進(jìn)電池組內(nèi)電能的轉(zhuǎn)移，使電能在轉(zhuǎn)移的過(guò)程中實(shí)現(xiàn)電池組的動(dòng)態(tài)平衡，減少部分電池電壓過(guò)高的失衡狀態(tài)。對(duì)部分電壓過(guò)高的電池電壓進(jìn)行降低，并提高電壓過(guò)低的電池的電壓，在一升一降中獲得均衡狀態(tài)。不僅如此，轉(zhuǎn)移式電池均衡技術(shù)可以使電池組在不進(jìn)行電力輸入和輸出的空閑時(shí)間，進(jìn)行恢復(fù)，主動(dòng)進(jìn)行電壓的均衡和調(diào)節(jié)，在下一次使用時(shí)就可以從穩(wěn)定狀態(tài)開(kāi)始，并在此循環(huán)轉(zhuǎn)移電能的均衡模式，使得電池?zé)o論是在使用時(shí)還是不使用時(shí)都能夠?qū)崿F(xiàn)主動(dòng)的均衡作用，保障了電池的循環(huán)使用壽命，并增加了電池的續(xù)航里程。轉(zhuǎn)移式電池均衡技術(shù)能夠?qū)㈦娏鬟M(jìn)行傳遞和調(diào)整，主要是根據(jù)電池組中相鄰的電池之間的電壓差來(lái)進(jìn)行的，通過(guò)降低電壓差的方式來(lái)控制電壓的均衡程度。轉(zhuǎn)移式電池均衡技術(shù)能夠?qū)λ褂玫目刂齐娏鞣较颉⒋笮〉目刂疲瑖?yán)格按照電池所需的均衡模式來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)，且不消耗電池中的電能。

轉(zhuǎn)移式電池均衡器安裝也十分方便和科學(xué)，摒棄了對(duì)電池的電能消耗，采用并聯(lián)的方式，安裝在電池組的節(jié)點(diǎn)上，電池組中的電池都采用串聯(lián)方式，所以均衡器的并聯(lián)并不影響電池組的放電和充電。并聯(lián)的好處還體現(xiàn)在對(duì)不同數(shù)量的電池組的控制，有些電池組中串聯(lián)的電池?cái)?shù)量較多，而轉(zhuǎn)移式電池均衡不受其限制，不因?yàn)閿?shù)量的多少而增加難度系數(shù)，可以與電池組中的任何節(jié)點(diǎn)相連接。而轉(zhuǎn)移式電池均衡器不使用專業(yè)芯片，減少成本價(jià)格，利用普通電子元器件進(jìn)行設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)。轉(zhuǎn)移式電池均衡技術(shù)通過(guò)對(duì)相鄰電池之間的電壓差值的判斷來(lái)進(jìn)行控制，這也是這項(xiàng)技術(shù)的核心，也正因?yàn)檫@一設(shè)計(jì)，使得對(duì)電池電壓的均衡得以實(shí)現(xiàn)。轉(zhuǎn)移式電池均衡及時(shí)在電池外部對(duì)電池電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，電池組中的單體電池的電壓和所儲(chǔ)備的電能都能夠得到主動(dòng)均衡。電池組中相鄰單體電池的電壓差保持在最小值，穩(wěn)定高效。在電池組進(jìn)行充電的過(guò)程中，電池均衡技術(shù)能夠?qū)Φ碗妷旱膯误w電池的電流進(jìn)行增加，提高其電壓；在電池組使用過(guò)程中，對(duì)電池組中的高電壓的單體電池的放電電流進(jìn)行增加，以此降低其電壓。而當(dāng)電池組既不充電也不放電時(shí)，就把電池組中電壓較高的電池所儲(chǔ)備的電能轉(zhuǎn)移到電壓較低的電池中去，在動(dòng)態(tài)穩(wěn)定中實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓差的自動(dòng)調(diào)節(jié)，恢復(fù)電池電壓的均衡。這種主動(dòng)的，自動(dòng)化的電池均衡控制手段，能夠?qū)﹄姵貎?nèi)部電壓、電流以及電能儲(chǔ)備進(jìn)行高效調(diào)節(jié)，使電池組內(nèi)單個(gè)電池的電壓差值得到調(diào)節(jié)，電池組的循環(huán)使用壽命得到增加，很大程度上解決電動(dòng)汽車(chē)中的電池循環(huán)使用壽命過(guò)短的問(wèn)題。

經(jīng)過(guò)研究者的實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論，在電池組上連接轉(zhuǎn)移式電池均衡器，無(wú)論是鋰電池還是鎳氫電池，在充電、放電的反復(fù)循環(huán)實(shí)驗(yàn)中，電池組內(nèi)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(lián)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(guò)程中基本上不會(huì)發(fā)生大幅度的溫度升高，溫度保持在合理的范圍內(nèi)。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(jìn)行的短時(shí)間的升溫，并能夠在電流輸入停止后恢復(fù)到初始溫度，不影響實(shí)驗(yàn)的繼續(xù)進(jìn)行。一般情況來(lái)說(shuō)，在電動(dòng)汽車(chē)的電池使用過(guò)程中，其充電、放電時(shí)間相對(duì)于靜止時(shí)間來(lái)說(shuō)是很少的，轉(zhuǎn)移式電池均衡技術(shù)能夠保證電池在充電放電以及靜止的狀態(tài)下都能夠得到均衡和調(diào)控。

5　結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展過(guò)程中，節(jié)能和新能源的使用是其最初的理念核心，然而汽車(chē)制造商真正將電動(dòng)汽車(chē)或混合動(dòng)能汽車(chē)投入到市場(chǎng)中時(shí)，取得的銷售效果是很不理想的，這種不理想效果的產(chǎn)生有多種原因，而最重要的原因則是其內(nèi)在因素決定的。電動(dòng)汽車(chē)所使用的電池組的循環(huán)使用壽命有限，且電動(dòng)汽車(chē)的造價(jià)相對(duì)較高，導(dǎo)致汽車(chē)用戶在選擇時(shí)更偏向于普通汽車(chē)。如何有效解決電池組的電壓失衡問(wèn)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(zhuǎn)移式電池均衡技術(shù)的出現(xiàn)，為提高電池組的續(xù)航里程和使用壽命提供了技術(shù)支持。該技術(shù)通過(guò)外部并聯(lián)的方式對(duì)電池組內(nèi)部電池之間的電壓差進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池組電壓的均衡，從而達(dá)到預(yù)期目的。這種自動(dòng)電壓均衡技術(shù)的使用，給電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)的發(fā)展帶來(lái)了新的前景和希望。

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