同樣是鋰電池，為什么手機和電動(dòng)車(chē)使用時(shí)間相差甚遠？

　　同樣是鋰電池，為什么手機和電動(dòng)車(chē)使用時(shí)間相差甚遠？我的iPhone 8P用了一年半，現在“電池健康”顯示數值為85%——而作為對比，我的插電混動(dòng)車(chē)開(kāi)了兩年快3萬(wàn)公里?？床坏骄唧w衰減數值，但充滿(mǎn)電的續駛里程從63掉到了62km，滿(mǎn)打滿(mǎn)算這62馬上就要衰減到61，那就是掉了2km，健康度為96.8%。這比手機的健康數字，要看上去好很多。

　　雖然插混車(chē)不等于電動(dòng)車(chē)，但是我基本天天充電，純電里程占比超過(guò)70%是沒(méi)有問(wèn)題的。

雖然只剩85%的容量，但iOS還是提醒我說(shuō)，我的手機處于“峰值性能容量”

　　相比于手機，電動(dòng)車(chē)的電池在整個(gè)壽命循環(huán)中，面臨的挑戰很不一樣。主要有兩個(gè)優(yōu)勢和一個(gè)劣勢：

　　優(yōu)勢一是放電循環(huán)次數少——用掉一次100%的能量記為一個(gè)循環(huán)，對于我這樣的iPhone用戶(hù)來(lái)說(shuō)，手機每天用超過(guò)100%的電量是蠻正常的；但是電動(dòng)車(chē)續駛里程至少有300km，除了出租車(chē)之類(lèi)的運營(yíng)車(chē)輛，很少有人會(huì )每天保持開(kāi)300km以上。長(cháng)此以往，手機的放電循環(huán)次數，往往會(huì )會(huì )遠高于電動(dòng)車(chē)。

　　優(yōu)勢二是電動(dòng)車(chē)對于續駛里程的追求盡管迫切，但是比起手機來(lái)說(shuō)還是沒(méi)有那么迫切。我們打開(kāi)手機看看就知道，電池的體積和空間占了手機整體的一半都不止；而電動(dòng)車(chē)電池雖然大，但還不至于這么夸張。這樣工程師就可以適度降低電動(dòng)車(chē)電池的放電深度( DOD,Depth of Discharge )盡量避免電池在電量最高和最低的區間使用，有助于減緩衰減，延長(cháng)電池壽命。

iPhone 8P里蘋(píng)果就是塞了個(gè)線(xiàn)性馬達,但是就被人質(zhì)疑太占用電池的空間(盡管我很喜歡iPhone的震動(dòng)手感)。相比之下電動(dòng)車(chē)電池的空間占比就顯得小了。

　　至于那個(gè)劣勢，就是電動(dòng)車(chē)的電芯要多很多。一輛車(chē)一般有個(gè)一兩百節電芯是正常的，像特斯拉這樣使用消費電子領(lǐng)域圓柱電芯的，可能有6000節左右電芯需要管理。而手機一般只有一片電芯。電芯間的差異會(huì )導致性能方面的限制，作為一個(gè)新能源汽車(chē)科普號，接下來(lái)我們就介紹一下，新能源汽車(chē)工程師是如何解決這個(gè)問(wèn)題的。

　　而電芯間不一致，是可以通過(guò)BMS（電池管理系統）來(lái)“妙手回春”的。其中很重要的“治療過(guò)程”就是——“電池均衡( Balance）”。

　　電池包下線(xiàn)出廠(chǎng)時(shí)，所有電芯的容量和SOC基本一致，這里可以把每個(gè)電芯看做一個(gè)碗。

　　容量一致，是指每個(gè)碗的大小-樣。SOC( State of Charge ,荷電狀態(tài))一致，是指50ml的碗裝25ml水和40ml的碗裝20ml水時(shí)的SOC都是50%，剩余容量與其滿(mǎn)電容量的比值相同。

　　只有在容量一致，SOC也一致的狀態(tài)下，所有電芯才能同步充滿(mǎn)和放空。電池包能充入和放出的電量最多，所有電芯的能力都可以得到最大的釋放，電池包容量也可以達到最大值。一般電池在出場(chǎng)的時(shí)候能基本達到這種狀態(tài)。

這種整整齊齊的狀態(tài)，基本只存在在電池剛剛出廠(chǎng)的時(shí)候。

　　步調整齊，一致性好。但就像同一個(gè)班級總有100分和60分一樣，隨著(zhù)使用年限和充電次數的增加，電池內部也不可避免的出現一些小變化，電芯容量與電芯內剩余電量百分比SOC開(kāi)始出現不同。

根據木桶原理，一個(gè)平放的木桶，它能裝的水量是由最短板決定的，電池包容量也是如此。

所有電芯同步充放電的，此時(shí)只要有一個(gè)電芯充滿(mǎn)或放空，其他電芯便不能再繼續充放電，這會(huì )導致：

　?、匐姵匕鼉却鎯Φ目偰芰繙p少，續駛里程縮短；

　?、陔姵乩匣p變快；

　　會(huì )導致某些電芯在充電或者放電的過(guò)程中過(guò)流，進(jìn)而導致析鋰，即鋰離子變?yōu)殇噯钨|(zhì)，不可再用。析鋰這種不可逆的衰減，將對電池包造成永久傷害。

　?、圻^(guò)充過(guò)放的概率增大,增加安全隱患；

　　一旦有某一電芯充滿(mǎn)，不論其他電芯還缺少多少電量都不能繼續充電，否則會(huì )出現過(guò)充或過(guò)放現象。長(cháng)期過(guò)充可能會(huì )導致電芯起火等危險事件，長(cháng)期過(guò)放會(huì )導致電芯內部結構破壞，同樣增加安全隱患。

參差不齊，一致性差

電芯間的差異一般有三種:

　　1.SOC一致，容量不一致；

　　2.容量-致，SOC不一致；

　　3.容量和SOC都不一致。

　　對于第一種情況，SOC一致，容量不一致。就好像一個(gè)碗的邊緣有了缺口，原本能裝50ml水，但現在只能裝40ml，否則就會(huì )從缺口漏出來(lái)。此時(shí)，容量小的最先充滿(mǎn)和放空，是整個(gè)電池包容量的瓶頸。我們想象一下，在充電前，三節容量不同的電芯他們的SOC是相同的，即當前電量都是滿(mǎn)電電量的一半。

　　起始狀態(tài)：三節容量不一致的電芯都處于50%SOC，即當前電量都是滿(mǎn)電電量的一半。在充入相同的電量后，容量最小的電芯達到滿(mǎn)充狀態(tài)。這時(shí)無(wú)法對電芯繼續進(jìn)行充電，因為如果繼續充，那節容量較小的電芯，將會(huì )過(guò)充電，長(cháng)期過(guò)充甚至會(huì )導致電芯起火等危險事件。

在這種情況下，容量小電芯，會(huì )最先被充滿(mǎn)和放空

　　同理，對這些電芯進(jìn)行放電時(shí)，容量最小的電芯同樣首先達到放空狀態(tài)。此時(shí)無(wú)法繼續放電，因為如繼續放電，已放空的電芯將會(huì )過(guò)放電，長(cháng)期過(guò)放會(huì )導致電芯內部結構破壞，發(fā)生危險。

　　對于第二種情況，容量-致，SOC不一致。這就類(lèi)似于每個(gè)碗都是完好的，但是碗內的水量不盡相同。有的當前電量是滿(mǎn)電狀態(tài)的70%，有的是50%。

　　起始狀態(tài)：容量相同的三節電芯，SOC當前電量與滿(mǎn)電電量占比不一樣?？梢园l(fā)現，SOC最高的電芯最先充滿(mǎn)，SOC最低的電芯最先放空。而且此時(shí)只能停止充放電，以避免過(guò)充和過(guò)放行為發(fā)生。SOC最低的電芯是整個(gè)電池包容量的瓶頸。

在這種情況下，SOC最高的電芯最先充滿(mǎn)，SOC最低的電芯最先放空

　　但實(shí)際場(chǎng)景往往更復雜，容量和SOC都可能不一致。這類(lèi)似于有的碗有缺口，有的碗沒(méi)有缺口，有缺口的碗的缺口大小還不一致。同時(shí)，每個(gè)碗里的水量也不一樣。

這時(shí)候，SOC最高的電芯可能最先充滿(mǎn)，也有可能最先放空。已經(jīng)無(wú)法再簡(jiǎn)單地將電芯當前的容量或者SOC作為評判標準。

　　面對現實(shí)中更復雜的電動(dòng)汽車(chē)使用工況下，對均衡邏輯判斷及控制模塊提出了較高的要求，即檢查手段和醫術(shù)水平都必須升級。電芯外部能夠實(shí)時(shí)測量到的變量一般有三個(gè)，將此電壓，電流與溫度的信息引入算法，即可得到每節電芯的SOC值、此時(shí)的可用容量。將兩個(gè)數據結合，綜合判斷此時(shí)電芯間的不一致?tīng)顟B(tài)，就可以以此為依據判定電池包是否需要進(jìn)入均衡狀態(tài)。

鋰電池均衡具體是如何操作的？

　　鋰電池均衡技術(shù)主要分為兩種：被動(dòng)均衡與主動(dòng)均衡。

　　被動(dòng)均衡又稱(chēng)為能量耗散式均衡，工作原理是在每節電芯上并聯(lián)一個(gè)電阻。當某個(gè)電芯已經(jīng)提前充滿(mǎn)，而又需要繼續給電池包充電時(shí)，接上電阻，對其進(jìn)行放電，把多余的能量耗散掉。

典型的被動(dòng)均衡電路

　　被動(dòng)均衡電路的優(yōu)點(diǎn)是結構簡(jiǎn)單，布局成本低，硬件實(shí)現簡(jiǎn)單等，在電動(dòng)汽車(chē)上廣泛應用。說(shuō)白了就是在模組控制電路板上設計很多的電阻，一個(gè)電阻對應一節電芯。當某節電芯的SOC較高時(shí)，就主動(dòng)將能量通過(guò)電阻發(fā)熱，耗散掉。

我們能清楚看到，控制器PCB板上的放電電阻

　　但同時(shí)，被動(dòng)均衡的缺點(diǎn)也很明顯。多余的能量會(huì )直接轉化為熱被耗散掉，能量使用效率低。如果在行車(chē)中使用被動(dòng)均衡，還可能會(huì )對續駛里程產(chǎn)生影響。另外，均衡產(chǎn)生了大量熱，對電路穩定性也存在一定的影響。因此，對被動(dòng)均衡電路來(lái)說(shuō)，一個(gè)優(yōu)秀可靠的均衡控制策略就顯得尤為重要。

　　另一種專(zhuān)業(yè)叫法是非能量耗散式均衡，也就是主動(dòng)均衡。其原理為將能量高的電芯內的能量轉移到能量低的電芯中去。這個(gè)碗里裝不下，貢獻出來(lái)，轉移到?jīng)]有填滿(mǎn)的碗。

　　從專(zhuān)業(yè)結構上來(lái)說(shuō)，主動(dòng)均衡還可以細分為開(kāi)關(guān)電容式均衡，變換器式均衡以及電感式均衡。

　　以開(kāi)關(guān)電容式均衡電路為例，電容作為能量的載體，將能量較多的電芯中的能量轉移到能量較低的電芯中。單一層級的均衡僅可實(shí)現相鄰兩節電芯的均衡。在均衡電路上再加入分層電路，可進(jìn)一步實(shí)現鋰電池組間的均衡，加速均衡速度。

開(kāi)關(guān)電容式均衡電路

典型的分層式均衡電路

　　主動(dòng)均衡電路的優(yōu)勢在于能量損耗較小，但是其回路成本高,拓撲結構復雜。而且電容和電感的體積大，會(huì )導致空間需求大等。因此在電動(dòng)汽車(chē)上的應用量較小。如何攻破主動(dòng)均衡在結構硬件上的難題，是目前各BMS研發(fā)團隊的研究重點(diǎn)之一。

　　其實(shí)不論是主動(dòng)均衡還是被動(dòng)均衡，如何讓每個(gè)碗都盡量的多裝水，同時(shí)也可以將碗內的水都盡量放空，是設計的最終目標。

　　必須要看到的是，衰減是真實(shí)存在的，就像衰老是真實(shí)存在的，每個(gè)人活一天就少一天。但如果天天這樣想，生活會(huì )變得很灰暗。優(yōu)秀的BMS工程師，可以通過(guò)以上方式，將鋰電池壽命衰減的速度控制在合理的范圍內。

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