动力电池续航难？均衡控制助力动力电池续航

目前来看，汽车电动化必是汽车未来的主要发展趋势之一。说起电动汽车，首先便会想到它的动力电池，动力电池的成本高低、续航时间长短、充电时间快慢以及它的安全性一直被汽车行业高度关注，其中均衡控制技术便是提升动力电池续航能力的关键技术之一。那什么是均衡控制技术呢？为什么能提高动力电池的续航能力呢？就让我们下面一一来进行解答。

均衡控制技术就是要克服电芯不一致性。这里就出现了两个问题：

1、什么是电芯的不一致性？

2、电芯不一致会造成什么后果？

电芯的不一致性

通俗来说就是每个电芯都是不一样的。这很好理解，就如同世界上不会有完全相同的两片叶子。首先在制造生产过程中，很难保证生产出的电池完全一致；其次在使用的过程中，由于外部环境的不同，日积月累，电芯的容量和电芯中的电量等会存在差异。而其中最主要的外部环境便是温度。一般情况下，锂离子电池的使用环境温度高于其最佳温度10℃时，锂离子电池的寿命会降低一半。

因为在不同的温度下，电芯内会产生不一样的化学反应，从而导致每个电芯的差异。那么，能不能对于电芯的温度进行控制呢？答案是否定的。一方面，在汽车中，动力电池由成百甚至上千个电芯串并联组成，其所占体积比较大，在汽车实际行驶过程中，很难控制其中的每个电芯都具有相同的温度；另一方面，电芯内部发生的各种化学反应和电路中的各种元器件，释放出的热量会所有差别，因此电池的这种温度差异是无法避免的。

那么差异主要体现在什么地方呢？如果将电池比作一个木桶，那么电量就是木桶中的水，也就是人们所说的SOC（荷电状态），木桶的容积就是我们所说的电池容量。如下图所示，左侧的电池容量是相同的，但是它们的SOC不同，而右侧两个电池它们的容量和SOC均有差别。

图 1电芯不一致对比图

电芯不一致造成的后果

为什么要如此强调电芯的不一致呢？首先我们要了解锂电池的一个性能，它会有一个充电上限以及放电下限，如果超过这个上限或者下限，就是我们通常所说的“过充”以及“过放”，锂电池都可能因为“过充”或者“过放”发生燃烧甚至是爆炸，这对电动汽车会造成极大的安全隐患，所以我们要避免“过充”以及“过放”。

由于充电上限和放电下限的存在，如下图所示，在放电时，当一个电芯达到放电下限时，电池的管理系统就会中止电芯的放电过程，其余电芯也无法再进行放电，因此在其他电芯中的电量会被浪费。同理，在充电过程中，如果一个电芯充电到充电上限，该充电过程就会中止，其余电芯中剩余的空间也不能得到利用。这就像我们所知道的短板效应，当一个木桶里有一个短板时，这个桶的其他的板再长，水的容量也无法再增加。这样会导致很大的一部分电池容量没有被利用，如果放任这种情况继续下去，在电池循环往复的充放电过程中，没有被使用的电池容量将会越来越多，电池的续航能力将大大降低。因此为了应对这一问题，电池的均衡控制技术应运而生。

图 2电芯充放电示意图

均衡技术又分成了两类，一类是被动均衡技术，一类是主动均衡技术。被动均衡技术就是将即将要充满的电池的电量进行消耗；主动均衡技术就是将即将要充满的电池的电量进行转移，两种方式都能使得电芯电量可以趋于一致，提高电池的性能。

被动均衡技术

一般被动均衡技术会通过电阻，将即将容量要满的电池的电量通过热的形式消耗，为别的电芯争取更多的充电时间。如图，因为第三个电芯最快充满，所以会在上面并联一个电阻，将其的电量耗散掉，从而1、2、4都可以达到充满的状态。

图 3 被动均衡技术示意图

被动均衡电路设计简单，较容易实现，所以被应用在很多电动汽车上。但是他不能对电池的容量进行改变，而且多余的电荷量被完完全全通过热量耗散掉，造成了电量的损失。其次耗散的热量也对锂电池的散热系统提出了更高的要求，因为锂电池对热是很敏感的，温度不同他们的容量、SOC都会发生显著的差别，也会带来安全问题。

主动均衡技术

主动均衡技术的大致思路是把电量高的电芯的电量转移到电量低的电芯中。具体来说就是在放电过程把电量高的电芯A的电量转移到电芯B那里，让电芯B不会那么快触及放电下限。如此类推，最高电量的电芯给最低电量的电芯“充电”，电池内的电芯的电量会被周而复始的均衡，提高电池的性能以及整车的续航能力。充电过程也是如此，对于较快充满的A电芯，将把较快充满的A电芯中的电量转移到第二多电量的电芯中，之后两个电芯将会同时接近充满，将两个电芯的电量再转移到电量第三多的电芯中，周而复始，直到充满每个电芯。

图 4 主动均衡技术原理图

主动均衡有各种各样的方式，根据所使用的电路器件不同，可以分为电容式、电感式、变压器式等。下面举一个电容式具体例子来简单理解一下主动均衡过程。

图 5 电容式主动均衡原理图

这是一个主动均衡的主电路，看起来比较复杂，其实原理相对简单。绿色背景框住的电路图为其中的一个单元，剩余电路都是这个单元电路的重复。首先，右侧的开关全部导通，即Sa21和Sa22闭合，此时，电容C2充电，最终电容C2的电压与B2相同。然后Sb21和Sb22断开，左边一侧的开关导通，使得C1、C2、……Cn的电容并联，最终各个电容电压相等。最后，左边一侧的开关断开，右边一侧开关再导通，电容C与电池B进行能量交换，实现整个电池组中的各个单体电容量的均衡。

图 6 电容式主动均衡过程

但是，主动均衡也有其缺点，从图5可以看出，主动均衡所需要的电路复杂，复杂的电路安全性也难以保障，而且在汽车比较难以实现，因此其还在进一步的试验和发展中。

由于电芯不一致，为了保障电池的容量利用率，提高电动汽车的续航，动力电池均衡控制技术不断发展。被动均衡技术和主动均衡技术各有优劣，现阶段主要在汽车上应用的是被动均衡技术，如何进行有效安全的主动均衡，这对于现阶段的动力电池控制策略来说是一大挑战也是机遇。