電池老化 如何最大化汽車電池包的運行時間？

對EV或PHEV而言，性能等同于電池動力支持的可行駛距離。EV和PHEV供應(yīng)商不僅要提供高電池性能，還要提供數(shù)年的包括最短行駛距離的保修服務(wù)，以保持競爭力。隨著電動汽車的數(shù)量和行駛時間的不斷增長，電池包內(nèi)無規(guī)律的電池單元老化正在成為一個長期問題。

由串聯(lián)連接、高能量密度、高峰值功率的鋰聚合物或磷酸鐵鋰（LiFePO4）電池單元組成的大電池包，廣泛用于從純電動車輛（EV或BEV）、油電混合動力車輛（HEV）、插電式混合動力車輛（PHEV）到能源存儲系統(tǒng)（ESS）的各類應(yīng)用中。特別是電動汽車市場，預(yù)計會對大型串聯(lián)／并聯(lián)電池單元陣列產(chǎn)生巨大需求。2016年全球PHEV汽車銷量為77．5萬輛，預(yù)計2017年銷量為113萬輛。盡管對大容量電池單元的需求不斷增長，電池價格仍然相當(dāng)高，構(gòu)成EV或PHEV中價格最高的組件，支持續(xù)航小幾百公里的電池價格通常在10，000美元左右。高成本可以通過使用低成本／翻新的電池單元來化解，但此類電池單元也將具有更大的容量不匹配性，進而減少單次充電后的可用運行時間或可行駛距離。即便是較高成本、較高質(zhì)量的電池單元，重復(fù)使用后也會老化且不匹配。提高具有不匹配電池單元的電池包容量有兩種辦法：一種是從一開始就使用更大的電池，但這樣做的性價比不高；另一種是使用主動均衡，這是一種新技術(shù)，可以恢復(fù)電池包中的電池容量，快速增強動力。

全串聯(lián)電池單元需要均衡

當(dāng)電池包中的每個電池單元具有相同的充電狀態(tài)（SoC）時，我們說電池包中的電池單元是均衡的。SoC是指當(dāng)電池充電和放電時，單個電池的當(dāng)前剩余容量相對于其最大容量的比例。例如，一個10安時的電池單元若有5安時的剩余容量，則其SoC為50％。所有電池單元都必須保持在某一SoC范圍內(nèi)，以避免損壞電池或縮短壽命。SoC的允許最小和最大值因應(yīng)用而異。在電池運行時間至關(guān)重要的應(yīng)用中，所有電池單元可以在20％的最小SoC和100％的最大SoC（或滿電狀態(tài)）之間工作。需要最長電池壽命的應(yīng)用可能會將SoC范圍限制在最小30％到最大70％之間。這些是電動汽車和電網(wǎng)儲存系統(tǒng)的典型SoC限制，它們使用非常大且昂貴的電池，更換成本極高。電池管理系統(tǒng)（BMS）的主要作用是嚴(yán)密監(jiān)控電池包中的所有單元，確保沒有任何電池單元充電或放電超出該應(yīng)用的最小和最大SoC限值。

對于串聯(lián)／并聯(lián)電池單元陣列，一般可以認為并聯(lián)連接的電池單元彼此之間會自動均衡。也就是說，隨著時間推移，只要電池單元端子之間存在導(dǎo)電路徑，并聯(lián)連接的電池單元之間的充電狀態(tài)就會自動均衡。同樣可以認為，串聯(lián)連接的電池單元的充電狀態(tài)會隨著時間推移而出現(xiàn)差異，原因有多方面。整個電池包中的溫度梯度、阻抗、自放電速率或各電池單元負載之間的差異，可能導(dǎo)致SoC逐漸變化。盡管電池包充電和放電電流有助于使這些電池單元間差異變小，但除非周期性地均衡電池單元，否則累積的不匹配性將會有增無減。補償電池單元的SoC漸變是均衡串聯(lián)電池的最基本原因。通常情況下，被動或耗散均衡方案足以重新均衡電池包中容量接近的電池單元的SoC。

如圖1a所示，被動均衡既簡單又便宜。然而，被動均衡也非常緩慢，會在電池包內(nèi)部產(chǎn)生有害的熱量，均衡結(jié)果是將所有電池單元的剩余容量減少到與電池包中SoC最低的電池單元一致。此外，被動均衡缺乏能力有效解決另一種常見現(xiàn)象——容量不匹配引起的SoC誤差。所有電池單元在老化時都會損失容量，損失速率往往不同，原因類似于串聯(lián)電池單元的充電狀態(tài)隨著時間推移而出現(xiàn)差異。電池包電流均等地流入和流出所有串聯(lián)電池單元，因此電池包的可用容量取決于電池包中容量最低的電池單元。只有圖1b和圖1c所示的主動均衡方法可以讓電荷在整個電池包中重新分配，補償電池單元間不匹配所造成的容量損失。

圖1． 電池單元均衡典型拓撲結(jié)構(gòu)。

3 第1頁/共3頁   首頁   下一頁   上一頁   尾頁