纯电动汽车和插电混合汽车中,部分厂家声称的「电池均衡」到底是什么鬼?

目前市面上的纯电动车和插电式混合动力汽车,有些厂家的产品出现续航里程不足、充电电量达不到标称电量、电池包或者电池单体检测时出问题等,厂家声称需要进行电池均衡。但似乎并没有有效的均衡措施。 那么,这个所谓的电池均衡到底是个什么鬼呢? 主机厂宣称的到底是不是事实呢?
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  • 电池为什么要均衡
在电池单体(cell)制造过程中,制造工业不能保证每个电池100%完全一样,就和树上的树叶一样,同一棵上没有完全相同的两片树叶。
就算我们假设两个电池单体完全一样,两个电池单体在电池包(pack)中所处的环境也不是完全一样,有可能cell 1和cel 60周围的温度差经常比较大,这两个电池在以后的多次循环充放电过程中也会慢慢的不一样。
因为出厂的时候电池单体就不一样,在以后充放电过程中这个差异会一直存在,而且由于所处的环境不一样,这个差异会越来越大,表现出来的形式就是,充放电速率不一样。这个时候就需要我们均衡了。以18650的电池示意图为例,刚出厂的时候,cell #1 & cell # 9两个电池的容量基本上是一样的,由于出厂时cell本身的细微差异,加上后天所处环境的不同,两个单体的差异会越来越大,长时间充放电以后,两个cell的容量都会减少,一个可能减少得多一些,一个可能减少的少一些,但是图下所有cell都是出于SOC 100 %的示意图。
  • 电池的木桶原理(放电过程)
假设电池使用一段时间后,各个cell的SOC如图所示:MAX_SOC = 90%, MIN_SOC = 40%,这个时候电池包PACK的SOC是由最小的SOC来决定的,也就是所PACK_SOC = 40%,如果不是这个最小值,那其他算法就是耍流氓。
然后我们时候接着让电池放电,过一段时间后,各个cell的SOC如下,这个时候我们就不能再继续放电了,再放电对SOC最小的那个cell损伤很大,但是这个时候,pack中cell最大的SOC有70%。(这里我们只是假设,只是让大家有个主观感受,实际中SOC的差异可能没有这么大。)这个时候pack不能再继续放电了,但是实际上pack还有相当多的剩余电量,主动均衡就可以将电量最多的cell的电量转移到电量最少的cell。

  • cell的木桶原理(充电过程
充电过程如下图所示,cell #1已经充满了,但是cell #5可能充到一半都没有,但是这个时候我们还是不能继续充电,如果继续充电,对cell#1的损伤很大,这个时候就需要被动均衡了,充电过程中的被动均衡。
充电过程中的被动均衡是和花时间的,我们首先将SOC =100%的cell自放电到SOC等于第二大的cell一样,如下图。
然后再将电量充到100%
然后依次循环,直到原来最小的cell的SOC为100%,如果cell单体非常多,这个时间很漫长。再来说说市场上那些快充原理,多半是没有进行这个均衡过程的。
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写了这么久,怎么就被知乎翻出来,有些地方不是特严禁。总的来说,市场上的汽车90%以上是被动均衡,我抽个时间update一下这个答案,介绍一下被动均衡和主动均衡,电池管理系统里面均衡模块不是一个特别难得模块,有些BMS厂家把他们的BMS均衡算法算法吹上了天,呵呵。
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谢邀。
1. 什么是电池的不均衡?
电池的不均衡指的是电池之间存在电压、容量及电荷状态(SOC)的差异的现象。在理想状态下,我们希望每个电池的各项指标都是一致的,但是由于生产工艺产生的细微差别,实际电池之间或多或少总会有些区别,并且随着使用时间的增加,由于充放电电流、温湿度等影响,这些区别会逐渐扩大。具体原因牵扯到电池内部的模型和电化学特性,比较复杂,这里就不赘述了。

2. 不均衡有什么危害?
首先,电池单体的电压比较低(例如钴酸锂电池满电时也只有4.2V),因此在用作电动汽车或者电网储能的时候,需要将很多节电池单体串联起来得到所需的高电压(比如特斯拉Model S的电池组用了74节18650锂电池并联再96节串联共7104节电池单体)。学过电路的人都知道,对于一个单纯的串联系统,里面所有元件的电流都是一样的,要么一起工作,要么一起停止。如此一来,电池的不均衡就造成了一个问题,如图1所示,串联电池进行充电,此时#3号电池已经充满。假如电池管理系统(BMS)采集的是整个电池组的总电压,会判断系统未达到满电,继续充电,则#3号电池将会被过充,引起寿命的减少甚至彻底损坏、爆炸等严重后果。因而此时必须停止充电,如此一来,整个串联电池组中其实只有一节电池被充满,明明总容量有20kWh,实际只充了19kWh,那么系统工作时间自然就降低。同样的,放电时也有类似的问题。

图1


3. 如何解决均衡问题?
其实解决的思路很简单,既然电池之间不均衡,那就人为的加点东西,让电池之间恢复到均衡状态就行了嘛。
3.1 被动均衡
这是最简单的方式,如图2,在每节电池旁边并一个开关和电阻,如果这节电池的电压或者能量高于其它电池,那么开关闭合,电池把多余的能量通过电阻放掉。比如图1当中,#3号电池就可以这样放掉一点电,从而使得整个系统可以继续充电,最终所有电池都能充满。

图2


这种方式的优点是结构、控制非常简单,成本很低,因此在实际当中有所应用,特斯拉就采用了这种均衡方式,很多公司例如Linear提供的电池管理芯片也自带了这种均衡控制的接口。但是,这种方式的缺点是多余能量都通过电阻消耗掉了,造成了能量的浪费和发热问题。因此,这种方式也叫耗能型均衡。
3.2 主动均衡
上面提的被动均衡是把多余的能量消耗掉。那么能不能不要这么浪费,而是把这些多余的能量传递给能量较低的电池呢?答案是可以的,但是要比被动均衡的实现复杂许多。
所谓主动均衡,其本质是通过开关或是电力电子变换器,选择需要均衡的电池,以电感、电容等储能元件作为媒介或缓存器,将能量从一个电池单体转移到另一个电池单体。理想状况下,这种方式是没有能量浪费的(当然实际电路中总会有损耗),因此也被称为非耗能型均衡。
图3是一种主动均衡结构,每两个相邻的电池单体两端接一个均衡电路,此均衡电路负责所连的相邻电池单体之间的能量传递。例如,当电池单体B1的能量高于B2时,电路1将B1的部分能量转移至B2,使得两个电池单体能量保持一致。
图3
这种结构的问题在于,能量只能在相邻的电池间直接传递。假如B1要把能量传给Bn,那么必须通过均衡电路由B1到B2,再B2到B3,一直到Bn,这样同样会造成不必要的能量浪费,同时还增加了均衡所需的时间。
图4是另一种主动均衡结构,各电池单体通过选通开关与均衡电路连接,哪两个电池需要均衡就接通对应的开关。这样能量可以在任意两个电池单体之间传递,不必考虑电池的位置,所以避免了上一种结构的问题。
图4
但是,因为在同一时间只有两节电池可以被选中,在串联电池数目较多的场合,均衡所需的时间将大幅增加,极端情况下均衡速度甚至无法跟上电池不均衡现象的产生速度。因此,这种结构不适用于高电压场合。
图5是另一种结构,和上两种不同,它并不是将单体与单体相连,而是将单体与整个电池组相连。任何一个电池单体可以直接与电池组进行能量的传递,这样所有单体可以同时独立地进行均衡。
图5
这种结构的问题是,在电池数量比较多,高电压的场合,均衡电路的输入输出电压差非常大,如何设计这样的电路具有很大挑战。
以上是三种非常基本的主动均衡结构,实际上现在学术界有很多更复杂的衍生结构,有兴趣的朋友可以自行搜索。

4. 均衡有实用价值吗?
这个问题有点大。
首先,随着电池制造工艺的进步,电池单体之间的不均衡一定是会越来越小的,实际产品中对于均衡的需求度也会越来越低。就目前而言,我所接触到的电池生产厂家对于均衡还是表示比较需要,只是由于技术以及成本原因,没有大范围的得到应用。说到底,这还是一个经济问题,也就是加入均衡所造成系统复杂程度以及成本的增加,能不能通过能量的均衡所带来电池放电时间的延长弥补回来。而偏偏这又是一个比较玄的事情,拿电动汽车来说,用户考虑的肯定是续航里程,但厂家所给出的必然是新车新电池的数据,那假如跑了10万公里以后,20万公里以后续航还剩多少?不同的电池厂家所生产的电池,这方面性能自然是不同的,电池厂家会做寿命测试,但并非基于电动汽车所在的环境(可能我接触的是小厂没有这方面工作,不知道BYD有没有)。实际上路,电池工况要复杂得多,加速刹车时候从0到数C的放电变化是家常便饭,在这种情况下跑10万公里,电池不均衡的情况会到什么程度,目前还没有看到很多这方面的数据。从企业宣传角度讲,既然缺乏这方面数据那自然就不会提,用户也无从得知,这种情况下如果我用了均衡,那势必在成本上不占优势,要不要加就很值得考虑了。
另一方面,即便不均衡的问题确实需要解决,是否就要加电路呢?不均衡的产生是一个逐渐积累的过程,那么是不是可以在跑了一段时间之后,去4S店进行一次保养,由他们做一次彻底的均衡?当然这和电池本身的性能又有密切关系,做保养频率显然不能太高,不能跑个几千甚至几百公里就要做一次吧。
说到底,需不需要均衡是由电池说了算的,不同电池之间的性能大相径庭,需求自然不同。我曾和特斯拉还有福特的工程师聊过这个话题,他们都表示他们所使用的电池在一致性方面问题并不严重,最多加个被动均衡就可以了。至于主动均衡,由于成本和可靠性的问题,基本是不会被考虑的。