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2018-08-10 08:37

来自 :电动邦

作者 :汤启隆

阅读时长约4分钟

很多老车迷或者资深新能源车用户肯定听说过电池系统的“均衡”技术。但大家对均衡的理解,往往是为了提高电池的使用寿命,很难与续航里程扯上关系。但其实它与续航里程关系莫大。今天就和大家分享一下,“均衡”技术是怎样让电动车跑得更远的。

■  “均衡”的本质:通过平衡电芯的最高电压,解决单体电芯的过充过放

均衡技术其实不是什么新名词,在20-30年它就存在,具体应用是在电池组内的均衡电路。之所以要设计均衡电路,是因为电芯单体的电压有限,要想获得更高的电压,必须将多个电芯串联。由于每个电芯在生产过程中存在差异(如生产批次、电解液加注量、环境温度、电极厚度等),所以电芯的物理特性无法做到完全一致。虽然这个差异在数值上的表现微乎其微,但是对使用性能会产生很大的影响。比如:由于内阻的差异,在充电过程中会导致内阻大的电芯被提前充满。

如果没有均衡电路的优化,当一个电芯的电压达到上限电压后,为了防止过充系统就会停止充电。但此时还有很多电芯的电压并没有达到上限。所以带电量就会由于内阻大的电芯产生的“木桶效应”而大大降低。

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▲“木桶效应”会导致电池组的充放电效能无法最大化发挥。

均衡技术的本质,就是通过专门设计的电路,把单体电芯的最高电压往下降,把电压控制在上限电压之内,让其它电芯能够继续获得充电电流,直到所有电芯的电压都能接近上限值。同样的原理也可以作用在放电过程中,可以防止电芯单体的过放。

■  均衡技术可以通过提高每个电芯单体的带电量来提升续航

在电动车的使用过程中,仪表板内会显示电池带电的百分比(简称SOC)。我之前有一篇关于《奇瑞新能源eQ1表显续航剩余14公里却趴窝是为何?》的文章提到过,SOC显示的并不是电池真正的带电量。

基本上所有的电动车,无论是插电混动还是纯电动,在SOC显示为0时,电池系统中仍会存有一定的电量,原因是为了防止过放导致的电池损坏。其原理就是在没有采用均衡技术的情况下,在深度放电过程当中只能“就低不就高”,所以电芯的一致性差异会导致某个单体电芯提前把电量放完。当某一个电芯的带电量降低到临界点时,就要停止系统放电。

充电过程也是同样的道理,上文已经介绍到了。所以为了保证电池的使用寿命和安全性,两头(充/放电)必须设计弹性冗余。在没有均衡电路的情况下,深度放电后电池实际剩余电量不能低于20%,满充后电池带电量不能高于80%。这就导致实际能使用的电量只有电池满充满放情况下的60%,极大的降低了实际使用的能量密度。但当有均衡电路加持、单个电芯的充放电可以受控制的情况下,电池的实际最小带电量可以降到5%,最大充电量可以达到95%。所以电池的电量实际使用率直接提升到了90%。这30%带电量的差异意味着更低的成本和更高的续航里程。

除了电芯先天的一致性差异之外,后期的使用环境也会导致电芯的一致性差异。比如温度对于电芯带电量来说就是一个非常敏感的影响因素。由于电池包布置在车辆底部,车辆行驶过程中会产生环境温度的极速变化,如前文所说,如果单个电芯处在不同温度的环境当中,其一致性也会出现较大的问题。

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电池组内的温度差异,需要冷却系统来保持一致,液冷相比风冷能更好的实现温度控制。

怎样让电芯的温度达到理想的均衡呢?特斯拉的做法是通过一套复杂的水冷系统,让冷却液包围着电池组,使其能够达到一致的温度,从而提升充放电效率。

■  好的均衡技术可以最大化利用电池效能、提升续航

以一台带电量80千瓦时的纯电动车为例。按照2000元/度电的成本计算,电池成本达到16万,如果实际带电率只能达到60%的话,那么续航里程相当于48千瓦时的电池使用效益。换算下如果48度电可以实现300公里续航里程的话,当使用了均衡电路,实际放电量提升到90%之后,续航里程可以直接提升到450公里。

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▲左侧未加均衡,充电不满,右侧加了均衡,可完全充满。

这是一个非常惊人的差异。要知道,仅仅只是增了了一套电路、一套控制程序就能多出150公里的续航,而电池成本并没有增加,整车重量也没有增加。所以,无论是BMS供应商还是自主研发电池包的主机厂,都在不遗余力的挖掘电池均衡技术带来的性能和成本收益。

■  均衡技术并没有从本质上提高能量密度

基于前文的描述,大家应该很容易理解,均衡技术并没有从本质上提高电芯的能量密度。只是把过去粗放的充放电过程变得更加精打细算。均衡技术能够挖掘的充放电深度在很大程度上还要取决于电芯的性能和质量一致性。

对于一些质量性能较好的进口电芯,本身具备充放电比较一致的先天优势,就无需均衡电路的太多干预,只需要较小的电流平衡就能实现很好的优化。而对于一致性差异较大的电芯,均衡技术的过多干预也会导致其它不可控风险的增大。所以从本质上来讲,电芯质量的先天优势比均衡技术更加重要。

▲电芯质量越好,对均衡“干预”的依赖就越小,所以高一致性的电芯才是王道。

另外,由于市场需求的推动,能量密度的提升会产生极大的经济利益。所以一些国内的车企或者国内的BMS供应商在市场需求的推动下,在车企的要求下,想在不增加成本的前提下进一步提高续航里程,往往会设计尺度较大的均衡程序,虽然在新车上基本上能够达到厂商标定的续航里程,但行驶几万公里之后,电池的带电量会开始出现明显衰减。这也是需要提醒国内的购车用户注意的。当然,BMS策略对于任何一个厂商来说都是商业机密,用户无从得知。但用户可以跟据市场反馈的结果来判断电动车电池的耐久性和安全性,这点非常重要。

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