精细充电技术在新能源汽车中的应用

2015-09-06 09:49:41 零排放汽车网-专注新能源汽车,混合动力汽车,电动汽车,节能汽车等新闻资讯 网友评论 0 条

盐城市惠众新能源科技有限公司

动力电池是新能源汽车的心脏，然而在生产和使用过程中的诸多因素会影响其一致性，造成电池串联成组以后的“木桶效应“，并最终使电池使用寿命降低。针对这一问题，盐城市惠众新能源公司提出通过电池维护系统进行精细充电的解决方案。本文首先介绍电池维护系统现阶段解决方案，即惠众并充机解决方案，然后通过惠众电池维护系统线下及和线上维护实际案例进行详细说明。事实及分析表明，采用惠众新能源并充机对电池进行定期维护将有效缓解不一致性导致的问题，是目前性价比比较高的解决方案。

一、电池维护系统简介

（1）动力电池组使用中的问题：

原材料、生产工艺、Pack工艺、运行温度等因素都会影响电池的一致性。

锂电池的原材料主要包括正极材料、负极材料、电解液、和隔膜四种。这四种材料的各项参数在生产过程中不可能做到完全一致，它们都会随生产批次略有不同。

在锂电池的生产过程中，也不可能做到工艺上的完全一致。以涂布工艺来说，材料总有涂布不均匀的情况。

在电池的Pack工艺上，要做到各单体电芯的散热、接触电阻等条件的完全一致是不可能的。以下图中的远红外照片为例，照片中外围4节电池的亮度明显比被包围在中间的电池亮度要低。这是由于外围的电池散热通风条件较好，所以温度要低于中间的电池。在这种Pack条件下，电池即使生产时的一致性很好，也会造成运行中的不一致。即使在Pack工艺中能解决散热问题，在实际使用中还是会因为环境温度导致电池的不一致。例如在炎热的夏天，汽车的向阳面和被阴面的温差可达10~15℃，在这种条件下，仅解决电池包内的通风是不能完全解决一致性问题的。 

一致性问题会导致串联电池组的“木桶效应“，即电池组的性能和寿命由最差的一节单体电池决定，而性能好的电池并不能解决“木桶效应“。木桶效应会逐渐造成电池组整组容量降低，如果不及时调整，最终会导致电池使用寿命降低。

原材料、生产工艺、Pack工艺、温度等因素会影响电池的一致性

木桶原理

    （2）传统BMS的解决方案

为了减轻“木桶效应“造成的影响，锂电池的BMS中加入各种均衡功能。比较典型的是在单体电池上并联一个由开关和电阻（R）或电感（L）或变压器（T）组成的放电回路。在电池电压比较高的时候，打开开关把电池中的电量通过电阻消耗掉，或者通过电感或变压器把电量转移出去。虽然这些方法能够把各单体电池的电压调平，但是存在不可避免的隐患。因为，电池组在长期使用中，往往造成电池容量比较低的单体电池电压在充电过程中，尤其是充电末期，比较高。上述方式对于容量比较低的单体电池来说，往往会加速容量的衰减，导致电池寿命的降低。

除此以外，也有少数的BMS可以通过外接电源、整体取电等方式对电压较低的电池进行均衡。但是无论哪种方式，上述的均衡功能都存在热管理、元器件衰减、抗干扰能力差、可靠性低、体积大、成本高等一系列问题。

(3)电池维护现阶段的主要方案

1.通过4S店及返回原厂维修

a.在4S店内或返厂进行整体保养维护，通常使用大型电池维护设备进行，或者人工维护，甚至进行重新分容配组；

b.采取一次性完全放电再充满的方式进行，对电池组有一定的伤害，且维护时间及成本较高。

2.直接更换电池组

对于最大储能达到设计标准70%以下的电池组，整车厂商提供免费换新服务。这样对于整车厂的成本压力较大，还会产生大量的废旧电池污染。

3.特斯拉等——采用一致性较高的小容量电池芯组成大电池包

a.通过复杂且成本极高的BMS，包括水冷技术，对电池组进行安全监控及有效管理，提高电池使用效率，在必要时通过熔断表现较差的“短板“电池包，来保证电池组的整体性能表现；

b.技术水平要求较高，中国短期内较难大规模普及；熔断技术依然没有解决电池组的短板问题，牺牲电池组整体容量。

（4）惠众解决方案——并充机（续航宝）

电池组智能辅助并联充电机（并充机）是针对电池在生产和使用过程中发生的不一致问题开发的精细充电设备。该设备的原理如上图所示，相当于在每个单体电池旁并联一个充电电源，在发现某个单体电池落后于其它单体电池后，打开相应的电源对该单体电池进行补充充电。该设备的主要用途是在传统串联充电过程中通过给落后电池补充充电的方式均衡各单体电池。

惠众新能源并充机的特点：

单台可辅助并充25节串联电池组；

并充（均衡）电流可调，最高可达14A；

自动扫描电池电压，自动调节，无需人工干预；

针对大于25节串联的电池组可以串联使用；

体积小（440 X 300 X 88 mm3），便于携带（相对于传统多路充电模式）；

可以对各种不同类型的电池进行并充，包括磷酸铁锂电池、三元电池、钴酸锂电池、铅酸电池、超级电容等；

可完成针对单节电芯的精细充电，提供最佳性价比；

可保证单体电芯的一致性，保证充电过程中单体电芯能够充满，保护电池的寿命。

二、电池维护系统线下维护效果

惠众新能源电池维护系统先后在悦达电动汽车、合肥国轩高科动力、河南锂动电源、河南环宇赛尔、洛阳神行汽车等相关企业和产品上进行线下测试，测试结果反应良好。以下为各测试案例详细报告。

案例报告 1  —  悦达电动汽车并充测试

测试结果：做过一次并充维护以后，行驶里程由130公里增加到 174 公里。

案例报告 2  —  合肥国轩高科动力测试

测试结果：电池组在做均衡充电处理后，放电容量由26.473Ah提升到 40.306Ah；放电效率提升了 52%。

案例报告 3  —  河南锂动电源测试

测试结果：通过并充机进行均衡充电，4850电池组放电截止电压下降2.216V，最大单体电池电压差下降412mv，电池组放电容量增加6.4Ah,放电能力提高14%。

案例报告 4  —  河南环宇赛尔测试

案例报告 5 —  洛阳神行汽车测试

测试结果：并充维护后，航天蓝速HT10轿车行驶里程由60公里增加到80.3公里，行驶里程提高约33%。

为了更加方便的连接并充机和电池，建议在电池箱上加装维护口。下图是加装了维护口的知豆电动车采用的电池箱。 

电池箱上加装维护口，更加方便进行电池维护；并充机直接连接维护口，全自动进行电池检验和维护，无需人工干预；可采用多次短时间维护。

精细化充电面对的对象

精细化充电面对的对象包括电池生产厂商、整车生产厂商、新能源汽车4S店等。具体如下：

(1)电池生产厂商

对电池生产厂商而言，应用精细化充电有多重益处：①可适当降低分容配组的要求，降低生产成本；②可作为电池组出厂前调试使用；③对电池进行维护，减轻售后服务压力；④在维修电池组时，可只更换落后电芯，而不必更换整个电池组。

（2）整车生产厂商：

对整车生产厂商而言，应用精细化充电的好处在于：①可减轻BMS的压力和成本，提高整车的可靠性；②采用线下维护方式，不影响整车的行驶和原有设计，可靠性最高；③采用单套维护系统对多车的模式，降低成本，提高性价比。

（3）新能源汽车4S店

对新能源汽车4S店而言，应用精细化充电的好处在于：①定期对车载电池进行维护，提高电池的使用寿命和行驶里程；②增加盈利模式。

三、电池维护系统线上维护效果

电池维护系统经过简单改造也可以线上使用，即在电池放电过程中使用。下面的案例是电池维护系统对一组16节串联的电池组进行线上维护的实例。这组电池中有一节电池的容量比其它电池低20%，是电池组中的“短板“。但是在实际使用中，由于电池维护系统的帮助，这块“短板“没有对电池组的使用造成任何障碍，反而在前15次放电中让电池组的放电能力有所提高。这是因为电池维护系统在放电过程中帮助落后电池分担一部分负载造成的。

案例报告 6  —  山东圣阳电源测试

测试结果表明，并充维护后，可以将容量一致性很差的单体电芯的电压拉平。

四、总结

电动汽车产业化的核心在动力电池，而电池的不一致性会导致电池组放电能力下降、寿命降低等一系列问题。采用并充机对电池进行定期维护将有效缓解不一致性导致的问题。并充机线下维护具有①并充电流高，可迅速调整电池，节约时间；②自动化程度高，降低人力成本；③体积小、重量轻，便于携带，方便电池维护；④可有效降低电芯分容配组的要求，从而降低电池的制造或更换成本；⑤可配合简易BMS使用，降低BMS成本，提高BMS可靠性；⑥线下维护模式不影响电动汽车的行驶；⑦可以单套对多车使用，进一步降低成本等诸多优势，是目前性价比比较高的解决方案。

惠众新能源将继续推进电池维护系统的研发，最终将达到电池维护系统的芯片化，逐步由线下维护拓展到线上维护。