精細充電技術在新能源汽車中的應用

07-20

電動汽車資源網訊：鹽城市惠眾新能源科技有限公司動力電池是新能源汽車的心臟，然而在生產和使用過程中的諸多因素會影響其一致性，造成電池串聯成組以後的「木桶效應「，並最終使電池使用壽命降低。針對這一問題，鹽城市惠眾新能源公司提出通過電池維護系統進行精細充電的解決方案。本文首先介紹電池維護系統現階段解決方案，即惠眾並充機解決方案，然後通過惠眾電池維護系統線下及和線上維護實際案例進行詳細說明。事實及分析表明，採用惠眾新能源並充機對電池進行定期維護將有效緩解不一致性導致的問題，是目前性價比比較高的解決方案。一、電池維護系統簡介（1）動力電池組使用中的問題：原材料、生產工藝、Pack工藝、運行溫度等因素都會影響電池的一致性。鋰電池的原材料主要包括正極材料、負極材料、電解液、和隔膜四種。這四種材料的各項參數在生產過程中不可能做到完全一致，它們都會隨生產批次略有不同。在鋰電池的生產過程中，也不可能做到工藝上的完全一致。以塗布工藝來說，材料總有塗布不均勻的情況。在電池的Pack工藝上，要做到各單體電芯的散熱、接觸電阻等條件的完全一致是不可能的。以下圖中的遠紅外照片為例，照片中外圍4節電池的亮度明顯比被包圍在中間的電池亮度要低。這是由於外圍的電池散熱通風條件較好，所以溫度要低於中間的電池。在這種Pack條件下，電池即使生產時的一致性很好，也會造成運行中的不一致。即使在Pack工藝中能解決散熱問題，在實際使用中還是會因為環境溫度導致電池的不一致。例如在炎熱的夏天，汽車的向陽面和被陰面的溫差可達10~15℃，在這種條件下，僅解決電池包內的通風是不能完全解決一致性問題的。一致性問題會導致串聯電池組的「木桶效應「，即電池組的性能和壽命由最差的一節單體電池決定，而性能好的電池並不能解決「木桶效應「。木桶效應會逐漸造成電池組整組容量降低，如果不及時調整，最終會導致電池使用壽命降低。

原材料、生產工藝、Pack工藝、溫度等因素會影響電池的一致性

木桶原理（2）傳統BMS的解決方案

為了減輕「木桶效應「造成的影響，鋰電池的BMS中加入各種均衡功能。比較典型的是在單體電池上並聯一個由開關和電阻（R）或電感（L）或變壓器（T）組成的放電迴路。在電池電壓比較高的時候，打開開關把電池中的電量通過電阻消耗掉，或者通過電感或變壓器把電量轉移出去。雖然這些方法能夠把各單體電池的電壓調平，但是存在不可避免的隱患。因為，電池組在長期使用中，往往造成電池容量比較低的單體電池電壓在充電過程中，尤其是充電末期，比較高。上述方式對於容量比較低的單體電池來說，往往會加速容量的衰減，導致電池壽命的降低。除此以外，也有少數的BMS可以通過外接電源、整體取電等方式對電壓較低的電池進行均衡。但是無論哪種方式，上述的均衡功能都存在熱管理、元器件衰減、抗干擾能力差、可靠性低、體積大、成本高等一系列問題。(3)電池維護現階段的主要方案1.通過4S店及返回原廠維修a.在4S店內或返廠進行整體保養維護，通常使用大型電池維護設備進行，或者人工維護，甚至進行重新分容配組；b.採取一次性完全放電再充滿的方式進行，對電池組有一定的傷害，且維護時間及成本較高。2.直接更換電池組對於最大儲能達到設計標準70%以下的電池組，整車廠商提供免費換新服務。這樣對於整車廠的成本壓力較大，還會產生大量的廢舊電池污染。3.特斯拉等——採用一致性較高的小容量電池芯組成大電池包a.通過複雜且成本極高的BMS，包括水冷技術，對電池組進行安全監控及有效管理，提高電池使用效率，在必要時通過熔斷表現較差的「短板「電池包，來保證電池組的整體性能表現；b.技術水平要求較高，中國短期內較難大規模普及；熔斷技術依然沒有解決電池組的短板問題，犧牲電池組整體容量。（4）惠眾解決方案——並充機（續航寶）

電池組智能輔助並聯充電機（並充機）是針對電池在生產和使用過程中發生的不一致問題開發的精細充電設備。該設備的原理如上圖所示，相當於在每個單體電池旁並聯一個充電電源，在發現某個單體電池落後於其它單體電池後，打開相應的電源對該單體電池進行補充充電。該設備的主要用途是在傳統串聯充電過程中通過給落後電池補充充電的方式均衡各單體電池。

惠眾新能源並充機的特點：單台可輔助並充25節串聯電池組；並充（均衡）電流可調，最高可達14A；自動掃描電池電壓，自動調節，無需人工干預；針對大於25節串聯的電池組可以串聯使用；體積小（440 X 300 X 88 mm3），便於攜帶（相對於傳統多路充電模式）；可以對各種不同類型的電池進行並充，包括磷酸鐵鋰電池、三元電池、鈷酸鋰電池、鉛酸電池、超級電容等；可完成針對單節電芯的精細充電，提供最佳性價比；可保證單體電芯的一致性，保證充電過程中單體電芯能夠充滿，保護電池的壽命。二、電池維護系統線下維護效果惠眾新能源電池維護系統先後在悅達電動汽車、合肥國軒高科動力、河南鋰動電源、河南環宇賽爾、洛陽神行汽車等相關企業和產品上進行線下測試，測試結果反應良好。以下為各測試案例詳細報告。案例報告 1 — 悅達電動汽車並充測試產品名稱鋰電池組並充機產品型號FBPC-25S8A-L受檢單位鹽城市惠眾新能源科技有限公司測試車型電改版東風悅達起亞的賽拉圖轎車測試目的測試FBPC-25S8A-L型鋰酸電池組並充機的均衡充電效果測試結果：做過一次並充維護以後，行駛里程由130公里增加到 174 公里。案例報告 2 — 合肥國軒高科動力測試產品名稱鋰電池組並充機產品型號FBPC-25S8A-L受檢單位鹽城市惠眾新能源科技有限公司測試地點合肥國軒高科動力能源股份公司測試日期2014/7/1-2014/8/1測試目的檢測FBPC-25S8A-L 型鋰電池組並充機的均衡並聯充電功能和性能測試結果：電池組在做均衡充電處理後，放電容量由26.473Ah提升到 40.306Ah；放電效率提升了 52%。

案例報告 3 — 河南鋰動電源測試產品名稱鋰電池組並充機產品型號FBPC-25S8A-L受檢單位鹽城市惠眾新能源科技有限公司檢驗地點河南鋰動電源有限公司檢驗日期2014/7/1-2014/8/1測試目的測試FBPC-25S8A-L型鋰電池組並充機的均衡充電效果測試結果：通過並充機進行均衡充電，4850電池組放電截止電壓下降2.216V，最大單體電池電壓差下降412mv，電池組放電容量增加6.4Ah,放電能力提高14%。

案例報告 4 — 河南環宇賽爾測試產品名稱鋰電池組智能並聯輔助充電機（並充機）產品型號FBPC-25S8A-L受檢單位鹽城市惠眾新能源科技有限公司測試地點河南環宇賽爾新能源科技有限公司測試日期2014/8/18-2014/8/19測試目的測試FBPC-25S8A-L型鋰電池組並充機的均衡效果

案例報告 5 — 洛陽神行汽車測試產品名稱鉛酸電池組並充機產品型號FBPC-12S5A-A受檢單位鹽城市惠眾新能源科技有限公司測試地點洛陽市神行汽車有限公司測試日期2015/3/11-2015/3/12測試目的測試FBPC-12S5A-A型鉛酸電池組並充機的均衡充電效果測試結果：並充維護後，航天藍速HT10轎車行駛里程由60公里增加到80.3公里，行駛里程提高約33%。

為了更加方便的連接並充機和電池，建議在電池箱上加裝維護口。下圖是加裝了維護口的知豆電動車採用的電池箱。

電池箱上加裝維護口，更加方便進行電池維護；並充機直接連接維護口，全自動進行電池檢驗和維護，無需人工干預；可採用多次短時間維護。精細化充電面對的對象精細化充電面對的對象包括電池生產廠商、整車生產廠商、新能源汽車4S店等。具體如下：(1)電池生產廠商對電池生產廠商而言，應用精細化充電有多重益處：①可適當降低分容配組的要求，降低生產成本；②可作為電池組出廠前調試使用；③對電池進行維護，減輕售後服務壓力；④在維修電池組時，可只更換落後電芯，而不必更換整個電池組。

（2）整車生產廠商：對整車生產廠商而言，應用精細化充電的好處在於：①可減輕BMS的壓力和成本，提高整車的可靠性；②採用線下維護方式，不影響整車的行駛和原有設計，可靠性最高；③採用單套維護系統對多車的模式，降低成本，提高性價比。（3）新能源汽車4S店對新能源汽車4S店而言，應用精細化充電的好處在於：①定期對車載電池進行維護，提高電池的使用壽命和行駛里程；②增加盈利模式。三、電池維護系統線上維護效果電池維護系統經過簡單改造也可以線上使用，即在電池放電過程中使用。下面的案例是電池維護系統對一組16節串聯的電池組進行線上維護的實例。這組電池中有一節電池的容量比其它電池低20%，是電池組中的「短板「。但是在實際使用中，由於電池維護系統的幫助，這塊「短板「沒有對電池組的使用造成任何障礙，反而在前15次放電中讓電池組的放電能力有所提高。這是因為電池維護系統在放電過程中幫助落後電池分擔一部分負載造成的。案例報告 6 — 山東聖陽電源測試產品名稱均衡板產品型號HIAE16S5A受檢單位鹽城市惠眾新能源科技有限公司測試地點山東聖陽電源股份有限公司鋰電池檢測中心測試日期2012/6/27測試目的檢測惠眾新能科技的HIAE16S5A均衡板在離子電池組的均衡功能

測試結果表明，並充維護後，可以將容量一致性很差的單體電芯的電壓拉平。四、總結電動汽車產業化的核心在動力電池，而電池的不一致性會導致電池組放電能力下降、壽命降低等一系列問題。採用並充機對電池進行定期維護將有效緩解不一致性導致的問題。並充機線下維護具有①並充電流高，可迅速調整電池，節約時間；②自動化程度高，降低人力成本；③體積小、重量輕，便於攜帶，方便電池維護；④可有效降低電芯分容配組的要求，從而降低電池的製造或更換成本；⑤可配合簡易BMS使用，降低BMS成本，提高BMS可靠性；⑥線下維護模式不影響電動汽車的行駛；⑦可以單套對多車使用，進一步降低成本等諸多優勢，是目前性價比比較高的解決方案。惠眾新能源將繼續推進電池維護系統的研發，最終將達到電池維護系統的晶元化，逐步由線下維護拓展到線上維護。