新能源汽車動力電池均衡控制管理概述

楊雪茹

新能源汽車動力電池均衡控制管理概述

楊雪茹

（江蘇省交通技師學院，江蘇 鎮江 212028）

新能源汽車動力電池中單體電池之間在使用中存在輸出性能不一致情況，會影響到動力電池的工作性能和使用壽命。文章介紹了單體電池的連接方式，闡述了動力電池均衡控制管理的分類和工作原理，結合應用進行性能分析，并根據新能源汽車實際故障案例，分析電池性能不一致性的原因，提出解決方案，為動力電池性能出現不一致性現象提供了故障診斷和排除方法。

動力電池；電池均衡；電池一致性；電池管理系統

動力電池作為新能源汽車的主要動力來源，由多個單體電池通過串、并聯的方式連接成電池組。由于受到材料、工藝、使用環境等諸多因素影響，各單體電池性能會出現不一致，從而影響到動力電池的整體性能。電池管理系統（Battery Management System, BMS）具有“均衡管理”的能力，作用是及時調整和保持單體電池之間性能的不一致，確保動力電池整體輸出性能。因生產企業設計思路、制造工藝不盡相同，不同車型上的動力電池“均衡管理”方式存在差異性[1]。

1 緒論

1.1 研究背景

我國新能源汽車是從2014年前后開始量產，最早一批投入市場的新能源汽車動力電池已經處于淘汰臨界點，具體表現在行駛里程顯著下降、充放電速度變快，甚至出現故障導致車輛無法正常行駛等，這些都是由動力電池本體性能所決定。動力電池實質上是由多個單體電池經過串、并聯的方式組合形成一個整體電池包，對外輸出電能。一定程度上來講，單體電池性能的優劣決定了動力電池的整體性能。

1.2 研究目的與意義

由于單體電池之間性能的不一致性和工作環境等外部因素的影響，導致車輛在使用過程中因行駛里程的明顯下降，使用的不良感極大增加。

如何維護好單體電池的性能，確保整個動力電池性能，延長動力電池的壽命，成為電池管理系統中一項重要管理內容。電池管理系統設置了“均衡管理”控制，在動力電池充放電的過程中，通過類似“傳、幫、帶”的方式，兼顧性能稍差的單體電池，使性能稍差的單體電池能跟大多數正常性能的單體電池保持相同的充放電速度和倍率，從而保障每個單體電池性能的一致，有利于減緩性能較差的單體電池電量下降速度。對于電量上升過快的單體電池，采用消減的方式，減緩其充電速率，維持所有的單體電池在相同的電量水平。通過類似的均衡調節管理，提升單體電池性能的一致性，提升動力電池包的整體性能。

1.3 創新點

本文闡述了動力電池包（電池PACK，即組合電池，指鋰電池組的加工組裝，是將單體電池、電池保護板、電池連接片、標簽紙等通過電池PACK工藝組合加工成客戶需要的產品）內單體電池的連接方式，并詳細講解了不同連接方式之間的優缺點對比。根據實際應用案例，講解了動力電池管理系統中不同類型“均衡管理”的工作原理、優缺點及其具體應用。通過案例分析講解電池不一致性的兩種類型的特點及區別，為實際故障診斷維修提供借鑒。

2 動力電池均衡管理技術

2.1 單體電池連接方式

不同類型的新能源汽車動力電池包組裝形式存在差異，但是單體電池的連接方式僅有串聯、并聯兩種基本方式，這兩種方式各有優缺點。串聯方式能快速提升整體電池組的對外輸出電壓，但電池組內阻也會隨之上升，動力電池儲存的能量將大部分用于傳輸過程中的內部消耗；并聯形式可以有效降低電池組的整體內阻，將電池組內儲存的能量大部分用于對外輸出，但并聯時電壓不上升，因此合理使用串、并聯方式裝配單體電池，可以有效提升存儲能量，增加車輛行駛里程。裝配單體電池時，可以選擇先并聯后串聯、先串聯后并聯和串并聯組合三種方式，連接方式如圖1所示。

從技術參數、整體能量方面來講，三種方式的性能參數差別不大，但是考慮到電池一致性的影響，先串后并的方式影響較大。當單體電池串聯起來以后，組合形成的電池模組會受到每一個單體電池的性能影響，如果該模組中的某個單體電池性能下降嚴重或者損壞，整個模組都會受其牽連，導致該模組性能下降或者損壞，同時其他電池模組雖然性能正常卻不能充分發揮作用；采用先并后串方式的電池包，當某個單體電池性能下降甚至損壞時，其所在的電池模組性能會有所下降，但電流的傳輸路徑并未阻斷，只是內阻略有提升，這對整體電池包的性能影響不大。因此，大多數電動汽車選擇先并聯后串聯的方式，先將單體電池并聯，形成電池模組，有效降低電池模組的內阻，然后將并聯后的電池模組串聯起來，組成動力電池包。

2.2 均衡控制管理分類及工作原理

單體電池在單獨使用過程中，性能不受其他電池的影響，往往壽命會更長、性能更穩定，但動力電池由于功率和續航里程的需要，要把數量龐大的單體電池通過串并聯的方式組成電池模組，然后串聯成動力電池包。無論采用哪種串、并聯方式的連接，組合后的動力電池組單體電池之間會形成“木桶效應”，整個動力電池包的整體性能都會受到單個性能差異較大的電池的影響。簡言之，某個單體電池性能較差，會導致整個電池包內成百上千的單體電池性能因其性能下降或壽命終結而隨之下降，甚至使用性能終結。

電池均衡管理分類方式很多。按分布位置不同，可分為集中式均衡和分布式均衡；按充放電過程不同，可分為充電均衡、放電均衡和雙向均衡；按能量管理方式不同，可分為耗散型均衡、非耗散型均衡；按管理主從方式不同，可分為主動均衡和被動均衡等。在動力電池充電過程中，耗散型均衡和非耗散型均衡應用廣泛[2]。

耗散型均衡，通常也稱為“被動均衡”，就是在電池包工作過程中，通過控制單元BMS監控各個電池單體或者電池模組的充電狀態，如圖2所示。當其中某個單體電池或者電池模組先于其他充滿時，就將先充滿的電池通過配套電路中的電阻釋放一部分電能，該單體電池或者電池模組從充滿電的狀態降至未充滿電狀態，這樣就能在一定程度上保持電池總成的一致性，不影響其他電池單體或電池模組的充電進行，也不會造成過充電。一般被動均衡，每個電池單元都通過一個開關連接到一個負載電阻。該方法只適用于在充電模式下抑制最強電池單元的電壓攀升，一般被動均衡的優點是電路結構簡單，成本較低。但是其缺點也很明顯，它只能做充電均衡。由于均衡時產生熱量，難以做大均衡電流，一般僅為30～ 100 mA，所以均衡效果很難顯現[3]。這種方式相對來說簡單粗暴，對于充電過程中的能量消耗很大，但其控制線路和控制策略簡單有效，應用在很多車型上。

圖2 耗散型均衡系統電路示意圖

相對耗散型均衡來說，非耗散型均衡控制方式相對合理。非耗散型均衡的控制方法是通過控制單元監控單體電池或者電池模組，當其中某個單體電池或者電池模組先充滿時，就通過配套管理電路的工作，將其中已經充滿電的單體電池或者電池模組內的電能通過配套電路中的電感或電容電路存儲起來，轉移至充電最慢、儲存電能最少的電池單體或者電池模組中。這樣在經歷一次均衡管理之后，所有的電池單體或者模組的電能會趨向一致，保持電池的一致性，所有電池都能正常進行充電。每隔一段時間或者充入一定電能之后，對于電池總成進行一次電池均衡控制，使得所有的電池參數趨向平均，不僅可以幫助電容量儲存性能欠佳的電池，也保護了充電過快的電池。但這種類型的均衡控制過程會延長充電時間，均衡控制線路更加復雜，智能化程度更高，生產制造成本會隨之上升。

非耗散型均衡，通常也稱為“主動均衡”，能夠合理轉移單元電池的電能，理論上只是轉移電能，不產生或產生很少熱量，如圖3所示。一種是直流母線轉移法，通過隔離型直流轉直流（Direct Current, DC/DC）模塊，電池與電池組直流母線之間的電能交換實現均衡，其主要缺點是電池電壓與電池組電壓相差過大，使得兩者之間的電能轉移電路的設計難度大；第二種是通過電池單元間的電能平衡電路逐級轉移。逐級轉移法雖然相鄰電池單元之間的電能轉移不受總電壓的影響，但是電池組串聯級數多時，電能轉換次數多、能量損失大、均衡效率低[4]。

圖3 非耗散型均衡電路示意圖

有了均衡控制管理，電池的一致性得到很大程度的改善。動力電池不是作為主要驅動設備的混合動力車型，隨車裝備的動力電池數量相對較少，往往會優先采用集中式均衡管理控制方式，由BMS集中管理所有的動力電池的單體、模組的均衡問題。為了節省材料的消耗，均衡線路通常會與單體電池電壓采集線共用，因此，在這一類新能源汽車上很難看到單獨的動力電池均衡管理系統。對于采用數量龐大的單體電池形成動力電池總成的純電動汽車而言，集中式均衡管理會造成控制網絡過于復雜，線路連接密集，會導致系統工作可靠性下降。因此，對于以動力電池作為唯一動力來源的純電動汽車來說，采用分布式均衡管理方式更加合適[5]。所謂的分布式均衡，就是把動力電池總成中的所有的單體電池分成若干個電池模組，每一個電池模組設置一個監控單元，由其完成該電池模組的均衡管理控制，每一個電池模組監控單元，只負責其管理的自身模組的均衡控制，而電池模組之間的均衡性就通過網絡系統，把電池模組監控單元采集到的各自的均衡參數發送到共同的上級管理模塊，即BMS模塊。換言之，BMS負責協調電池模組監控單元之間的均衡問題，電池模組監控單元負責自身的電池均衡控制，形成一個樹狀的分級管理系統架構[6]。

除充電均衡之外，當然還有放電均衡、雙向均衡，工作原理大致類似。既然動力均衡性如此重要，大量新能源車企都不惜投入大量資源進行動力電池均衡管理控制的研發和應用。對于從事汽車維修的人員來說，深入理解了電池均衡的工作原理與意義，就能明白動力電池均衡系統控制良好的情況下，單體電池和電池模組的均衡性就會很高，動力電池的使用壽命就會延長。當從事維修作業時，通過對不同單體電池電壓差等采集數據的監控對比分析，有利于觀察判斷單體電池的性能，也可以輔助判斷動力電池均衡系統是否工作正常。

3 案例分析

3.1 故障案例引入

一輛正常行駛的純電動汽車儀表板提示系統故障指示燈突然亮起，系統提示“請檢查動力系統”“請及時充電”“動力電池均衡性超出限值范圍”等信息，檢查電池荷電狀態（State Of Charge, SOC），發現整車值低于10%。經過咨詢得知，該車行駛前已充滿電，行駛路程也較短，遠未達到單次充滿電后的最大行駛里程。結合故障系統提示內容，重點考慮動力電池模組或者單體電池的電池一致性和電池均衡管理控制方面出現故障。

3.2 電池性能不一致性原因分析

動力電池單體的性能不僅受到自身材料、制造工藝的影響，還受到上限電壓、下限電壓、環境溫度、充放電次數和充放電倍率的影響。充放電倍率關系到電動汽車驅動電機、電機控制器、電動空調等高壓用電設備的控制和交流慢充和直流快充的控制[7]。

電池不一致性可分為第一類不一致性和第二類不一致性兩類。

第一類不一致性即單體電池自身容量的差異導致的不一致性。第一類不一致性由電池生產制造工藝不完善導致，同一批次電池容量有一定的離散性。假設#1、#2和#3三只100 Ah串聯電池的實際容量分別為95 Ah、100 Ah、105 Ah，即存在第一類不一致性，容量差異為10 Ah；三只電池的初始電量均為60 Ah，在此情況下完全由第一類不一致性導致的最大差異能達到9%（充放電末端達到最大值），最小差異為5%左右，如圖4所示。

圖4 第一類不一致性示意圖

第一類不一致性的影響：充電時，#1電池先達到截止電壓，充電終止；放電時，三只電池幾乎同時達到截止電壓，放電終止；電池組的充放電能力受容量最小的#1單體電池制約，實際只能達到95 Ah，如圖5所示。

圖5 第一類不一致性影響示意圖

第二類不一致性即單體電池初始電量差異導致的不一致性。第二類不一致性區別于第一類不一致性，電池組在實際應用過程中由于內阻差異、自放電率差異等原因，第二類電量的不一致性會從無到有、由弱到強。假設#1、#2和#3三只串聯電池的實際容量均為100 Ah，不存在第一類不一致性，當前初始電量分別為55 Ah、60 Ah、65 Ah，由此導致的差異為10%，電量最大差異10 Ah，如圖6所示。

圖6 第二類不一致性示意圖

第二類不一致性的影響：充電時，#3電池先達到截止電壓，充電終止；放電時，#1先達到截止電壓，放電終止；電池的實際容量是100 Ah，然而充放電能力實際只有90 Ah，如圖7所示。

圖7 第二類不一致性影響示意圖

在動力電池向外輸出電能時，假如大多數電池還有電能未釋放，而其中一個或少數幾個單體電池的電量已經放完，若任由其持續放電，這幾個單體電池就會出現過放電而提前報廢，從而導致動力電池整體報廢。正常狀況下，BMS出于保護電池總成的目的，提前終止動力電池總成向外輸出電能。單體電池性能良好，若充放電速度過快也會造成故障，假如在對動力電池總成進行充電時，大多數單體電池的電量達到50%～70%時，個別單體電池已經充滿，如果任由其隨著其他電池一起持續充電，該單體電池會因為過充電而導致電池過熱，甚至發生爆炸，造成安全事故。由此可見，電池單體性能的一致性至關重要[8]。

3.3 故障診斷與排除

根據經驗，通過對動力電池在充放電時的數據流監控對比判斷。在放電過程中，觀察單體電池的電壓、溫度、電壓差等參數；在充電完畢后，觀察單體電池的電壓差，判斷均衡管理控制系統的性能。

查看動力電池的故障數據流，發現有兩個單體電池在、單體電壓方面與其他大部分單體電池相差過大，超過BMS系統設置的壓差三級故障范圍。通過對單體電池進行分容處理后，即“充電-放電循環”處理，這兩個單體電池充電時間很短，很快就達到充滿狀態；放電時速度也明顯高于其他單體電池，判斷兩個單體電池出現本體故障，不能通過系統均衡處理解決問題。更換單體電池，重新組裝成電池模組后，測試性能與動力電池包整體基本一致。裝車后，清除故障碼后再次讀取故障碼，故障碼清除，至此BMS系統故障排除。

4 結論

動力電池均衡控制的理解誤區主要集中在以下幾個方面：

1）均衡可以對性能下降的電池進行修復。均衡控制只能緩解不一致性造成的影響，不能對本體性能下降的電池進行修復，若單體電池或模組性能下降超過下限值，應及時更換單體電池或模組。

2）均衡可以代替電池分選。電池分選不可替代，解決不一致性依賴于均衡的原理及均衡能力，均衡只能起到調理作用，“治標并不治本”。

3）充電均衡或者放電均衡可以解決不一致性問題。充電均衡或者放電均衡只能解決第二類不一致性問題，且依賴于均衡管理，不適用于電池自身容量差異（第一類不一致性），只有同時具備充放電均衡才能改善第一類不一致性。

4）均衡能夠提升電池使用安全性。該理解比較片面、狹隘，電池使用的安全性不完全依賴于均衡管理。

[1] 杜吉祥.電池管理系統被動全均衡技術研究[D].重慶:重慶理工大學,2022.

[2] 王曉露,譚澤富,代妮娜,等.電池管理系統均衡技術發展綜述[J].現代信息科技,2022(8):56-59.

[3] 付望.鋰電池均衡電路的研究[J].電子世界,2021(16): 25-26.

[4] 吳銳.純電動汽車動力電池均衡控制研究[D].重慶:重慶交通大學,2022.

[5] 謝恩彥,仲衛,陸飛,等.鋰離子電池組均衡控制策略研究[J].電源技術,2022(8):876-880.

[6] 高鵬飛,晉貞貞.磷酸鐵鋰電池均衡技術的研究[J].電工材料,2021(4):40-43,48.

[7] 焦建剛.純電動汽車動力電池均衡技術分析[J].汽車維修與保養,2021(11):73-75.

[8] 楊法松,吉祥,曾國建,等.電池管理系統均衡策略測試方法[J].汽車實用技術,2022,47(6):14-17.

Review of Balance Control Management of Power Battery of New Energy Vehicles

YANG Xueru

( Jiangsu Jiaotong College, Zhenjiang 212028, China )

The output performance of the single battery in the new energy vehicle power battery is inconsistent in use, which will affect the working performance and service life of the power battery. This paper introduces the connection mode of single battery, expounds the classification and working principle of power battery balance control and management, analyzes the performance of the battery combined with the application, and analyzes the causes of the battery performance inconsistency according to the actual fault cases of new energy vehicles, puts forward solutions, and provides fault diagnosis and elimination methods for the power battery performance inconsistency.

Power battery;Battery balance;Battery consistency;Batterymanagement system

U469.7

A

1671-7988(2023)17-29-07

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.017.006

楊雪茹（1974－），女，高級講師，研究方向為汽車檢測與維修、汽車專業教研教改，E-mail:371913385@qq.com。