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六、动力电池电芯充放电控制策略 生活中，我们都有一个常识，当新、旧电池混用以后，会导致新电池很快没电，用电器供电不足，这是因为电池存在内阻。如上期连载中提到，动力电池管理系统最核心的一个功能就是电池电芯的充放电管理。图39、图40所示是目前美国纯电动车特斯拉动力电池的18650电芯，其中0代表圆柱。数干节18650电池并／串联以后为特斯拉电动车提供强大的电力，因此这么多电池的充、放电管理就非常重要。   为了提高电动汽车能量系统的实际可用容量和重复使用次数，需要保证动力电池组各个单体电池能量的一致性，通过精确匹配电池的化学成分比例可以解决电池单体不一致的问题，但是这种方法要求极高的成组工艺，实际中较难实现。因此可以采用如下方法，在动力电池组用电回路中增加附属的单体来均衡电路，并将单体电池多余的能量释放或转移来保证成组电池单体的一致性。当前对于动力电池的能量均衡管理一般采用数理统计的方法，对动力电池的电压、容量、内阻的一致性进行检验。 1．集中式均衡和分布式均衡策略 集中式均衡是指整个动力电池组共用一个均衡器，通过采用逆变分压等技术对动力电池组的能量进行分配以实现单体电池与动力电池组之间的能量传递。分布式均衡策略是指能量的均衡模块是单个电池独有的。图41、42为集中式均衡策略和分布式均衡策略的拓扑结构。   由图41、42可见，在典型的集中式均衡拓扑结构中，动力电池组内所有的单体电池都同时利用同一个均衡器来实现能量的均衡，而在分布式均衡拓扑结构中，动力电池组内的每个单体电池上都独自并联着一个旁路电阻，利用电子开关来实现能量的均衡。控制操作对于集中式均衡策略来说可以短时间内集中整个电池组的能力，为需要进行能量均衡的单体电池传递能量，这就需要公用均衡器具有较好的配置性能以提高均衡速度。显然，集中式均衡的模块体积较分布式的（总和）更小，但是集中式均衡策略中的各个单体电池之间是一种互相竞争的关系，如果同时有多个单体电池需要进行能量均衡则该种策略就无法有效实现。另外，由于各个单体电池与均衡器之间需要大量的线束连接，所以集中式均衡策略只适用于电池数量较少的电池组能量均衡情况。 2．放电均衡、充电均衡与双向均衡策略 放电均衡策略是指动力电池在放电的过程中对各个单体电池之间的能量进行均衡，并确保在放电过程中动力电池组中每个单体电池的剩余容量全部放掉，以避免动力电池已经完成放电但是还有电池尚余电量的情况。当放电完成之后对电池组采用恒定电流以串联充电的方式进行充电，只要电池组中任意一个电池的剩余容量达到100％就可以结束充电。放电均衡策略实现了每次充入电池的电量都能够完全释放，放电均衡策略的实现过程如图43所示。  充电均衡策略是指在电动汽车动力电池充电的过程中，采用与上述对应的均衡充电方式，以实现各个单体电池之间的能量均衡，并保证充电过程中，动力电池组中的每个单体电池的容量都能够充至100%，充电均衡策略可确保每个单体电池的实际容量在充电过程中都发挥出功效。但是，由于充电过程只能以最小容量的电池为截止上限，这会导致充电时电池组的容量并不能被完全利用，充电均衡策略的实现过程如图44所示。  双向均衡策略综合了放电均衡策略与充电均衡策略的优点，即在充电和放电的过程中均对能量进行均衡控制，这样既可以保证将每个单体电池的SOC都能放电至0，又能保证每个单体电池的SOC均充电至100%。但是由于该种策略包括放电均衡过程所以会导致电池存在的能量损耗过多，容易对电池造成损害。由图43可见，放电均衡策略的缺点是能量损耗过多，无法在任意时候都开始进行能量的均衡行为。另外由于放电将电池的剩余容量放电至0，放电深度的提高也增加了影响电池循环寿命的可能性。与放电均衡策略相反，充电均衡策略适用于处于任何荷电状态下的动力电池组，但是充电均衡策略对放电过程没有做任何控制，并且在其放电过程中，整个电池组的放电容量取决于容量最小的单体电池。双向均衡策略有利于对电池的最大容量进行评估，因此可以在对电动汽车进行维护的过程中利用这种方法来对电池的健康状况进行诊断。 |
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