同樣是鋰電池，為什么手機和電動車使用時間相差甚遠？我的iPhone 8P用了一年半，現(xiàn)在“電池健康”顯示數(shù)值為85%——而作為對比，我的插電混動車開了兩年快3萬公里?？床坏骄唧w衰減數(shù)值，但充滿電的續(xù)駛里程從63掉到了62km，滿打滿算這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(shù)字，要看上去好很多。

　　雖然插混車不等于電動車，但是我基本天天充電，純電里程占比超過70%是沒有問題的。

雖然只剩85%的容量，但iOS還是提醒我說，我的手機處于“峰值性能容量”

　　相比于手機，電動車的電池在整個壽命循環(huán)中，面臨的挑戰(zhàn)很不一樣。主要有兩個優(yōu)勢和一個劣勢：

　　優(yōu)勢一是放電循環(huán)次數(shù)少——用掉一次100%的能量記為一個循環(huán)，對于我這樣的iPhone用戶來說，手機每天用超過100%的電量是蠻正常的；但是電動車?yán)m(xù)駛里程至少有300km，除了出租車之類的運營車輛，很少有人會每天保持開300km以上。長此以往，手機的放電循環(huán)次數(shù)，往往會會遠高于電動車。

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

iPhone 8P里蘋果就是塞了個線性馬達,但是就被人質(zhì)疑太占用電池的空間(盡管我很喜歡iPhone的震動手感)。相比之下電動車電池的空間占比就顯得小了。

　　至于那個劣勢，就是電動車的電芯要多很多。一輛車一般有個一兩百節(jié)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(jié)左右電芯需要管理。而手機一般只有一片電芯。電芯間的差異會導(dǎo)致性能方面的限制，作為一個新能源汽車科普號，接下來我們就介紹一下，新能源汽車工程師是如何解決這個問題的。

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

　　電池包下線出廠時，所有電芯的容量和SOC基本一致，這里可以把每個電芯看做一個碗。

　　容量一致，是指每個碗的大小-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水時的SOC都是50%，剩余容量與其滿電容量的比值相同。

　　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。一般電池在出場的時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的時候。

　　步調(diào)整齊，一致性好。但就像同一個班級總有100分和60分一樣，隨著使用年限和充電次數(shù)的增加，電池內(nèi)部也不可避免的出現(xiàn)一些小變化，電芯容量與電芯內(nèi)剩余電量百分比SOC開始出現(xiàn)不同。

根據(jù)木桶原理，一個平放的木桶，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，此時只要有一個電芯充滿或放空，其他電芯便不能再繼續(xù)充放電，這會導(dǎo)致：

　　①電池包內(nèi)存儲的總能量減少，續(xù)駛里程縮短；

　?、陔姵乩匣p變快；

　　會導(dǎo)致某些電芯在充電或者放電的過程中過流，進而導(dǎo)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^充過放的概率增大,增加安全隱患；

　　一旦有某一電芯充滿，不論其他電芯還缺少多少電量都不能繼續(xù)充電，否則會出現(xiàn)過充或過放現(xiàn)象。長期過充可能會導(dǎo)致電芯起火等危險事件，長期過放會導(dǎo)致電芯內(nèi)部結(jié)構(gòu)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。就好像一個碗的邊緣有了缺口，原本能裝50ml水，但現(xiàn)在只能裝40ml，否則就會從缺口漏出來。此時，容量小的最先充滿和放空，是整個電池包容量的瓶頸。我們想象一下，在充電前，三節(jié)容量不同的電芯他們的SOC是相同的，即當(dāng)前電量都是滿電電量的一半。

　　起始狀態(tài)：三節(jié)容量不一致的電芯都處于50%SOC，即當(dāng)前電量都是滿電電量的一半。在充入相同的電量后，容量最小的電芯達到滿充狀態(tài)。這時無法對電芯繼續(xù)進行充電，因為如果繼續(xù)充，那節(jié)容量較小的電芯，將會過充電，長期過充甚至?xí)?dǎo)致電芯起火等危險事件。

在這種情況下，容量小電芯，會最先被充滿和放空

　　同理，對這些電芯進行放電時，容量最小的電芯同樣首先達到放空狀態(tài)。此時無法繼續(xù)放電，因為如繼續(xù)放電，已放空的電芯將會過放電，長期過放會導(dǎo)致電芯內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞，發(fā)生危險。

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

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

在這種情況下，SOC最高的電芯最先充滿，SOC最低的電芯最先放空

　　但實際場景往往更復(fù)雜，容量和SOC都可能不一致。這類似于有的碗有缺口，有的碗沒有缺口，有缺口的碗的缺口大小還不一致。同時，每個碗里的水量也不一樣。

這時候，SOC最高的電芯可能最先充滿，也有可能最先放空。已經(jīng)無法再簡單地將電芯當(dāng)前的容量或者SOC作為評判標(biāo)準(zhǔn)。

　　面對現(xiàn)實中更復(fù)雜的電動汽車使用工況下，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(yī)術(shù)水平都必須升級。電芯外部能夠?qū)崟r測量到的變量一般有三個，將此電壓，電流與溫度的信息引入算法，即可得到每節(jié)電芯的SOC值、此時的可用容量。將兩個數(shù)據(jù)結(jié)合，綜合判斷此時電芯間的不一致狀態(tài)，就可以以此為依據(jù)判定電池包是否需要進入均衡狀態(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：被動均衡與主動均衡。

　　被動均衡又稱為能量耗散式均衡，工作原理是在每節(jié)電芯上并聯(lián)一個電阻。當(dāng)某個電芯已經(jīng)提前充滿，而又需要繼續(xù)給電池包充電時，接上電阻，對其進行放電，把多余的能量耗散掉。

典型的被動均衡電路

　　被動均衡電路的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，布局成本低，硬件實現(xiàn)簡單等，在電動汽車上廣泛應(yīng)用。說白了就是在模組控制電路板上設(shè)計很多的電阻，一個電阻對應(yīng)一節(jié)電芯。當(dāng)某節(jié)電芯的SOC較高時，就主動將能量通過電阻發(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，被動均衡的缺點也很明顯。多余的能量會直接轉(zhuǎn)化為熱被耗散掉，能量使用效率低。如果在行車中使用被動均衡，還可能會對續(xù)駛里程產(chǎn)生影響。另外，均衡產(chǎn)生了大量熱，對電路穩(wěn)定性也存在一定的影響。因此，對被動均衡電路來說，一個優(yōu)秀可靠的均衡控制策略就顯得尤為重要。

　　另一種專業(yè)叫法是非能量耗散式均衡，也就是主動均衡。其原理為將能量高的電芯內(nèi)的能量轉(zhuǎn)移到能量低的電芯中去。這個碗里裝不下，貢獻出來，轉(zhuǎn)移到?jīng)]有填滿的碗。

　　從專業(yè)結(jié)構(gòu)上來說，主動均衡還可以細分為開關(guān)電容式均衡，變換器式均衡以及電感式均衡。

　　以開關(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(zhuǎn)移到能量較低的電芯中。單一層級的均衡僅可實現(xiàn)相鄰兩節(jié)電芯的均衡。在均衡電路上再加入分層電路，可進一步實現(xiàn)鋰電池組間的均衡，加速均衡速度。

開關(guān)電容式均衡電路

典型的分層式均衡電路

　　主動均衡電路的優(yōu)勢在于能量損耗較小，但是其回路成本高,拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜。而且電容和電感的體積大，會導(dǎo)致空間需求大等。因此在電動汽車上的應(yīng)用量較小。如何攻破主動均衡在結(jié)構(gòu)硬件上的難題，是目前各BMS研發(fā)團隊的研究重點之一。

　　其實不論是主動均衡還是被動均衡，如何讓每個碗都盡量的多裝水，同時也可以將碗內(nèi)的水都盡量放空，是設(shè)計的最終目標(biāo)。

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

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