新能源汽车动力电池均衡_一种新能源汽车电池管理系统主动均衡方案

2024-07-23 06:51:47

1.畅巡车型的三电系统可靠性分析

电动车显示均衡总故障是静置状态或充放电状态下电池组间的压差大于规定值。

这种故障产生的主要原因是单体电池之间的容量不一致、内阻不一致或电池自放电速率不一致，也最终导致单体电池间充放电不一致，使电池组的整体容量降低。

此时不对电池进行恢复，电池组的寿命将加速衰减。

目前电源管理系统均衡的方法主要为主动均衡和被动均衡两种，现有电压均衡方式的均衡效果受到接触内阻的影响，并且压差不大时，充放电电流较小，均衡需要时间长。

畅巡车型的三电系统可靠性分析

测量功能主要包含：模组的电压样和温度样、Pack的总电压样和总电流样、高压互锁检测、绝缘检测。

而核心算法主要包含：SOC（电池荷电状态）算法、SOH（寿命状态）算法、SOP（功率状态）算法、电池均衡算法。

其中，SOC算法，行业内典型的方案有安时积分、开路电压、人工神经网络、卡尔曼滤波，单单某一种方案都会存在缺点，目前主流的方案是使用安时积分加上卡尔曼滤波的方式。

SOH算法，目前常用的算法有库仑计算法加上开路电压，还有卡尔曼滤波等等算法。

SOP算法，目前可靠的方法还是靠试验数据，用查表法实现。

均衡功能的原理，可以拿木桶原理来类比，有主动均衡和被动均衡两种方法。主动均衡就是长木板裁剪后来补短木板，使得所有木板平均；被动均衡就是长木板都进行裁剪，保持所有长木板与最短木板一样长。

应用功能主要包含：高压上下电与低压上下电、交流充电与直流充电、电池系统热管理、电池系统故障诊断。

其中，高压上下电与低压上下电是需要其他控制器，比如VCU与BMS配合来实现，BMS完成高压上电后，才能给整车高压负载供电或进行充电（如果集成度做得比较高，BMS自己就能搞定上下电的过程）。

交流充电是通过交流充电桩、车载充电机为动力电池充电；直流充电是通过直流充电桩为动力电池充电。充电功能有相关的国标规定。

动力电池必须是可充电池

(1)干电池与目前的动力电池最大区别是：

a)干电池电解质是一种不能流动的糊状物，不具再次充电特性；

b)动力电池是电解质锂离子能在其中能流动的电解液，可以上千次充电；

(2)干电池与目前的动力电池的基本相同点：

a)有正极、有负极、有外壳、是电化学反应；

b)干电池与动力电池在单体上，物理特性基本相同，有圆柱、方形的。

肺炎疫情爆发之后，被困狭小的居室内接近3周，平时不曾过多关注的路上风景，现在却令我感受到了久违的新鲜气息。值得庆幸的是作为有车一族的我可以自驾上班，远离公共交通，避免交叉感染，一辆爱车给复工的我带来了全方位的保护。

可以说，在抗疫期间，一辆车子可以为自己、为家人带来除口罩之外的双重安全保护。

提到安全保护，作为汽车行业业内人士，相比传统燃油车，新能源电动汽车的安全表现也是我的重点关注对象。电动化狂潮下，2020年，合资大厂品牌、国内自主品牌、外资品牌也会按照战略规划，相继推出自己的旗舰新能源车型。

电动车在面向市场之前，与传统燃油车一样，会经历繁复、严苛的安全测试和认证。大众、通用、本田、丰田都在深耕电动车方向，其中电动车的安全性更是重中之重。

利益相关，作为业内人士，接触通用系的项目最多。说起来，通用在中国推纯电动车也就是近十几年才开始发展起来，其实早在一个世纪之前，通用汽车就已经开始探索电气化的未来之路，可以说是电动车鼻祖之一。

据悉，2020年2月底通用即将上市“雪佛兰雪佛兰畅巡”车型。定位纯电城际轿跑的雪佛兰畅巡，融合了上汽通用汽车母公司双方在新能源及车联网技术方面的优势，区别于传统驱动技术，动力用智能三电系统，即高性能电驱动系统、3x3电控系统、三元锂电池系统构成。三种系统有效配合，驾乘者体验到前所未有的驾驶感，更告别能耗负担，成为环保先行者。

那么，通用的工程师们又是运用这些三电黑科技保证每一位乘客的安全呢？

作为业内人士，通过各路渠道拿到了一部分内部消息，在这里划重点：雪佛兰畅巡的三电系统，严格按照高于功能安全的系统安全要求开发，电池组全新配备智能水循环温度管理系统，电池包满足远超国标要求的的极限安全检验，并配以3重物理防护结构设计，全面满足整车安全性。

总结下来就是：行业领先的电池管理系统以及高完全、高可靠的动力电池包。

1、什么是三电？三电是电动车的核心系统

简单一句话概括：动力电池、电驱系统、电控系统。

听起来很简单，理解起来也不难。姑且先在这里给大家简单科普下三电知识。

1.1动力电?

目前，汽车动力电池基本上由以下5个系统组成：动力电池模块、结构系统、电气系统、热管理系统、BMS电池管理系统（电控）

对照人体，模块就是动力电池的“心脏”，负责储存和释放能量，为汽车提供动力。锂电池模组是由几颗到数百颗电池芯经由并联及串联所组成的多个模组，除了机构设计部分，再加上电池管理系统和热管理系统就可组成一个较完整的锂电池包系统。

目前主流使用的动力电池模块有以下几类：

钴酸锂18650电池：生产技术成熟，电池能量密度高，接近同级别磷酸铁锂电池的两倍，但是高温状态下的稳定性较其他电池差，易发生电池着火。代表车型?Tesla?Models

硫酸磷铁电池：是车用锂电池中安全性和稳定性最高的，在极端情况下，最大限度保证车上乘客不会因为电池爆炸或二次着火受到伤害。代表车型比亚迪秦、唐。

三元锂电池：安全性以及能量密度介于磷酸铁锂电池和钴酸锂18650电池之间，各方面相对均衡，低温时电池更加稳定。代表车型比亚迪混动宋、元，北汽EV200、EV260以及特斯拉Model?3

镍氢电池：寿命长，充放电次数多，无需保养维修，可长时间内维持相对较好的性能指标的优点，但是体积大，能量密度小。代表车型丰田Prius、福特Escape、雪佛兰Malibu，本田Civic?Hybrid。

结构系统

主要由电池包上盖、托盘、各种金属支架、端板和螺栓组成，可以看作是电池包的“骨骼”，起到支撑、抗机械冲击、机械振动和环境保护（防水防尘）的作用。

电气系统电气系统

主要由高压跨接片或高压线束、低压线束和继电器组成。高压线束可以看作是电池包的“大动脉血管”，将动力电池系统心脏的动力不断输送到各个需要的部件中，低压线束则可以看作电池包的“神经网络”，实时传输检测信号和控制信号。

热管理系统

主要有4类：风冷、水冷、液冷、相变材料。以水冷系统为例，热管理系统主要由冷却板，冷却水管、隔热垫和导热垫组成。热管理系统相当于是给电池包装了一个空调。电池充放电的过程实际上就是化学反应的过程，化学反应会释放大量的热量，电池需要热管理系统将热量带走，让电池处于一个合理的工作温度范围内，以提高电池的寿命和可靠性。

BMS电池管理系统

BMS可视作电池包的“大脑”，主要由CMU和BMU组成。电池管理系统能及时检测调整电池的工作状态，保证电池的工作安全，以达到增加续航里程，延长使用寿命的目的。

CMU单体监控单元，负责测量电池的电压、电流和温度等参数，同时还有均衡等功能。当CMU测量到这些数据后，将数据通过前面讲到的电池“神经网络”传送给BMU。

BMU电池管理单元。负责评估CMU传送的数据，如果数据异常，则对电池进行保护，发出降低电流的要求，或者切断充放电通路，以避免电池超出许可的使用条件，同时还对电池的电量、温度进行管理。根据先前设计的控制策略，判断需要警示的参数和状态，并且将警示发给整车控制器，最终传达给驾驶人员。

以特斯拉为例，特斯拉拥有全球领先电池管理技术，Model?S共使用了7104块18650电池，每74节并联为一个电池包，每6个电池包串联为1块电池组，16块电池组再串联排布，整体组成特斯拉的动力电池。BMS对每级实时监控，为每一个电池单元进行及时的冷却，降低彼此的温差，以防自燃。然而特斯拉能做到对每一个电池单元的监控，却无法解决电池包被冲击力极端破坏下产生燃烧爆炸的情况，这也就是今年美国两起特斯拉汽车二次着火的原因。

1.2电驱系统

电驱系统则主要由三部分构成：传动机构、电机、逆变器。

传动机构

目前国内外电动车的传动机构都是单机减速，即没有离合、没有变速。未来各电动车企业将会在传动机构上增加复杂性，同时降低对电机、电机变阻器的需求，即提高性能，降低成本。

电机

新能源汽车用的电机主要有两种：永磁同步电机、异步电机。永磁电机，顾名思义就是带磁芯的电机。永磁同步电机是由永磁体励磁产生同步旋转磁场的同步电机，永磁体作为转子产生旋转磁场，三相定子绕组在旋转磁场作用下通过电枢反应，感应三相对称电流。

永磁同步电机的转子作为永磁体本身产生固定方向的磁场，定子旋转磁场“拖动”转子磁场（转子）转动，因此转子的速度一定等于定子的同步速，所以叫做“同步电机”。永磁同步电机的转子转速与定子绕组的电流频率始终保持一致。因此，通过控制电机的定子绕组输入电流频率，电动汽车的车速可被控制。

它与异步电机最大的不同在于转子独特的结构，在于转子上放有高质量的永磁体磁极。异步电机和永磁电机结构类似，只是没有磁芯，在没有通电的时候是没有磁场的，所以，只有通过大量耗电才能产生磁场。它最高转速能达到15000转/分钟，是高速电机，高转速产生大功率。

异步电机相比永磁同步电机成本较低，过载能力强，结构简单，制作方便，可靠性好，但是体积庞大，能耗较大，同等电池组容量和同等车况下，用同步电机的汽车要比用异步电机的汽车续航里程更多。比如特斯拉Model?S?P85D，整车质量超过2．1吨，就是因为异步电机的电池利用效率低体积大，所以必须多装电池。

永磁同步电机，虽然造价比异步电机稍高，但是结构紧凑，体积小，具有较高的功率密度。有限的电池容量下可实现最佳的续航里程。雪佛兰雪佛兰畅巡正式使用了永磁同步电机

逆变器

逆变器是把直流电转变成交流电的设备，若一台电动汽车的逆变器能支持较高电压，则相应的电压充电流较大，功率较大，这意味着同样电流进行充电，充电功率可以等比例放大，即充电时间会缩短。若提高逆变器的支持电压，则相应的充电时逆变器产生的热量会变多，那么就需要解决逆变器中IGBT模块的散热问题，这是提高充电效率的关键问题。

1.3?电控系统

电控系统是连接电机与电池的神经中枢，主要是对整车进行动态监控，及时反馈调整各项技术参数。可分为电机控制系统和BMS两大类，其中BMS详见上部分。

电机控制系统作为汽车动力的指挥官，它的核心则是IGBT元件（Insulated?Gate?Bipolar?Transis，绝缘栅双极型晶体管芯片）。新能源汽车的动力电池提供的是直流电，而驱动电机所需要的则是三相交流电，这中间就需要电机控制系统来工作，将直流电转换为交流电，而完成转变的关键元件就是IGBT。

由于篇幅限制，本篇将主要介绍雪佛兰畅巡的动力电池包的产品亮点，电机及电驱技术后续将继续展开。

2、全新智能水循环温度管理系统

雪佛兰畅巡410版上搭配的三元锂电池组用了6系铝挤出托盘，1并96串电芯的结构，电池容量52.5kWh，523三元锂配方（镍钴锰），电池系统能量密度140Wh/kg

锂离子电池的性能、寿命和安全性对温度非常敏感，可以说温度是影响锂离子电池工作性能最为突出的一个因素。锂离子电池温度范围应保持在25℃～40℃之间，单体电池之间温度差应小于5℃。如果电池在充放电过程中产生的热量没有得到适当的释放，由于热量的积聚，电池的温度会升高，极大程度上降低电池工作效率。锂离子电池每升高1℃，电池能力消退0.2%，当温度超过极限工作温度时，还会加速锂离子电池的老化。

此外，有统计数据表明电动汽车起火的原因中，行驶过程中的电池自燃占比22%，停置时电池自燃占比16%，正常充电过程中起火占比14%，加起来共52%的比例。

电动汽车起火起因近五年整体分布图

也就是说，电动汽车起火事故最主要的三大起因是电池的自燃、充电和汽车碰撞。而这些起因所对应的内部机理是电池的内部短路、外部短路与过充电等故障及其进一步引发的热失控。

电池热失控诱因总结

热失控的触发诱因复杂，普遍认为引发电池热失控的主要故障形式概括为四类，即：内部短路、外部短路、过充电与过放电。这些故障均会引发电池温度骤升，随着电池温度的升高电池内部会发生连锁的放热反应。

而当电池温度达到80～120?℃时，覆盖在电池负极表面的SEI?膜发生分解，随后负极活性物质失去保护，嵌入负极的锂金属与电解液发生反应。温度继续上升会引发电池多孔隔膜闭孔，隔膜闭孔会阻断外部短路的电流回路，起到一定的自保护作用，但如果温度继续上升，隔膜会在190?℃左右解体，引发内部短路，释放大量的电能使温度迅速升高，进而引发正极分解与电解质分解反应，正极分解会释放大量的热量，将会电池包过热融化自燃起火！

热失控触发机理

在这里划重点：以上全部总结下来，控制好电池温度热管理，是打造出一辆安全的新能源电动车的必要条件！

值得庆幸的是，通用将自主研发的行业领先的全新电池组智能水循环温度管理系统应用到了雪佛兰畅巡上面，打造出了一辆真正省心安全的好车。

全新电池组智能水循环温度管理系统

液冷及电池加热技术，通过智能水温控制来稳定电池电芯保持在高效稳定的工作区间：在极寒环境中，系统驱动加热器对电池冷却液进行加热，提升充电效率；在高温环境中，通过冷却水循环使电芯温度维持在更适的工作区间（30℃-40℃，不主动沟通），进一步增强了车辆的环境适应性。

通过制冷剂侧的压力传感器集制冷系统蒸发压力，配合电池冷却液温度传感器进行双重温度校验。通过制冷、制热模块和水泵的双重精确控制，实现电池温度精准监控。

独立的电池温度管理模块：通过智能温控算法，实时精准的进行能耗分配，始终满足电池温控需求的同时，实现乘车舱的舒适度控制。

另外，有研究表明，电池内部温度与实际环境温度之间的温度差，以及电池组内部各单体电池之间的温度差等原因都会对电池的性能、寿命和安全产生不利的影响。所以，单体电池的内部构造、摆放位置、冷却条件等因素，导致电池组在产生热量、传递热量、散失热量时无法满足整个电池组的温度范围稳定、热量均匀分布

而雪佛兰畅巡的电池组中电芯之间用了航天级纳米温控材料气凝胶，通过纳米微孔有效锁止并控制温度，对单体电池期间的温度差控制以及温度隔离起到了极大的。且模组与模组之间铺设了防火毯，有效的提升了阻燃能力，以进一步保证电池本身的稳定性，为防止热失控提供“硬件”基础。

电池包按照通用全球标准订制：在电芯配方、规格、封装、防护等方面均达到行业最高标准，并且电芯之间布置航天级气凝胶、模组间和壳体内则布置高性能复合隔热材料，覆盖电芯级、模组级和壳体级的三重防护措施，有效提升了隔热与阻燃性能，提升电池包的一致性与安全性

电芯之间布置航天级气凝胶

整套智能水循环温度管理系统加航天级纳米温控材料气凝胶的应用同时改善了充电速度，使直流快充10分钟，即可行驶100KM（限定工况：25℃+4%SOC起充，新电池）。

3、电池包更安全、更可?

我们同时还可以发现，电动汽车起火的原因中，碰撞后短路起火的占比14%，这一部分也是普通消费者相比于传统燃油车对新能源电动车安全的最大关注点。

即：新能源电动车碰撞后的电池安全性能如何，电池会不会因为受到挤压变形爆炸自燃！

碰撞后起火14%

答案当然是否定的！

动力电池在设计之初设计就考虑了碰撞、着火、防水、极端温度等极限情况，以应对突发情况的发生。

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以方形电池制造基本流程为例子。每一阶段都经历设计、测试、验证方面的极限安全考量。为了在发生碰撞或拖底时，电池受到外力挤压能及时排出内部产生的气体和压力，方形电芯设计了防爆阀。同样的为了，碰撞时通过内、外部共同疏导，在极端情况时保护车辆和电池的安全，电池底壳也在设计时专门留有一定的溃缩量。

那么雪佛兰畅巡的电池安全表现呢？通用的工程师又是如何保证电池安全的呢？

我国动力电池有6项国家标准：GB/T?31484-2015。6项国标从机械安全、环境安全、电安全三个维度对电池单体、电池模块以及电池包/系统进行测试，并给出相关判定标准。且国标测试的难度也异常苛刻：在极端温度测试时，国标要求电动车电池在零下20度到零上50度，接近70度的剧烈变化下还能正常稳定的发挥作用。在挤压和针刺考验中，要求电池受到10吨重的外力挤压，还能幸免于难；由1根近1厘米粗的钢针从几何中心穿过，电池处于短路状态，还不能爆炸，不起火。

针刺测试

挤压测试，挤压力100KN

相比于国标，通用及其配件厂商对电池测试要求更加严苛，种类和难度都远超国标。通用在雪佛兰雪佛兰畅巡上对锂电池组进行了13类极限安全检验：穿刺（超出国标的模组级热扩散试验）、挤压、浸泡、火烧、过充、过放、短路等7重极限安全检验、过温、碰撞、振动、温度冲击、湿热冲击、盐雾，达到IP67级别。

以火烧检验为例子，国标要求电池火烧130秒无爆炸，在雪佛兰畅巡搭配的动力电池包上，这个标准被提高到了火烧130秒还能正常工作、火烧1个小时无爆炸危险。

火烧测试

值得一提的是，通用在整车级别创新增加铁轨、跌落和高于法规要求的横向柱碰实验，确保日常使用的安全性和稳定性。

此外，雪佛兰畅巡的电池包上用了3重物理防护结构设计。因为相较于传统车辆，纯电动汽车前端吸能空间减少，大刚度、大质量电池的安装位置与传统发动机安装位置有较大差异，同时，电动汽车不同于传统燃油车的特殊部件也对其碰撞安全性能提出了更高的要求。

所以，雪佛兰畅巡在车架上增加了高强度和超高强度钢打造的下防撞梁（高强钢）、双框架结构设计（超高强钢）和横向多条贯穿式梁结构设计（超高强钢），为高压电池包提供充足的保护，从而避免碰撞中高压电池包受到碰撞、挤压。相较于传统5星燃油车，多了前面两条横向贯穿式梁和电池包周边的防护梁，全方位满足安全要求。

尾言：

电池安全是新能源电动车安全的重要指标，只有通过最高标准设计、测试、制造的电池，才称得上安全的豪车。

尤其针对三电系统来说，高标准的设计-制造-检验-验收，在纯电汽车产品上更为重要。在树立消费者信心的关键阶段，太多企业的半成品在使用过程中发生意外事故，留存了许多隐患。这就是整体流程体系不成熟布下的，甚至会对整个市场造成影响。

而对于通用雪佛兰这样具备完整成熟体系的品牌，虽然在国产化电动车产品的路上走的稍显慢了一些，但依我看来在核心技术上是有能力做到万无一失的。