《动力蓄电池及管理系统检修》 课件 任务六 电池均衡

任务六电池均衡《动力蓄电池及管理系统检修》比亚迪电池检验车间小王随刘师傅更换了新的电池模块，之后问道刘师傅：“刘师傅，接下来还需要做什么？”刘师傅说：“接下来需要对电池组进行均衡操作”。本任务将学习电池均衡的相关内容。电池不一致性如何检测？电池检验员刘师傅、参观学习学生小王如何进行电池均衡？能理解电池不一致性定义，使用万用表，规范完成电池不一致性检测。能按照电池均衡标准流程，正确使用电池均衡仪，规范完成电池均衡作业。电池不一致性定义电池不一致性是指同一规格型号的电池单体组成电池模块后，其电压、荷电量、容量及其衰退率、内阻及其变化率、寿命、自放电率等参数存在一定的差别。电池不一致性检测电池不一致性示意图（a）一致（b）一致（c）不一致电池不一致产生的原因电池模块不一致性是指同一规格、同一型号的电池在成组应用时，组内单体电池之间存在性能差异的现象，主要表现为电池之间性能参数的不一致性，如电池外电压、极化电压、直流内阻、容量、SOC等方面，一致性问题是造成电池成组应用时性能下降的主要原因。电池不一致性检测初始状态不一致12电池性能衰退速度不一致电池不一致产生的原因（1）生产过程中的不一致在生产过程中，由于工艺、涂覆、配料及杂质含量的不均匀都会造成电池初始性能（初始容量、直流内阻、充电效率及自放电等）的差异性。电池，特别是大容量动力电池尚未完全实现自动化生产的今天，电池的制造工艺和水平不能有效地保障其初始性能的一致性。当一致性要求太高的时候，电池的成品率大大下降，价格大幅度上升，这会相应地增加用电设备的成本和价格。电池不一致性检测初始状态不一致12电池性能衰退速度不一致电池不一致产生的原因（2）使用过程中的不一致电池模块中各个电池的温度和通风条件、自放电程度及充放电过程等差别的影响，造成了电池的自放电速度、内部副反应速度的差别。造成使用过程不一致的主要原因如下。①电池初始性能的差异会在使用过程中逐渐反映到电池实际容量、内阻和SOC上，如生产时内部杂质含量、内阻及充电效率等差异会反映到电池的自放电特性、荷电状态、内部发热热量及性能衰退速度上。以充电效率为例，当两只初始容量均为100Ah，充电效率分别为99.9%和99.95%的电池，经过100次循环后，容量分别为100×(99.9%)1W0=90Ah和100×（99.95%）100=95Ah，200次循环后，容量分别为81Ah和90Ah，300次循环后，分别为74Ah和86Ah。可见，即使是很小的充电效率差异（0.05%)，经过一定的循环次数后，会造成不可忽视的容量差异。电池不一致性检测电池不一致产生的原因（2）使用过程中的不一致电池模块中各个电池的温度和通风条件、自放电程度及充放电过程等差别的影响，造成了电池的自放电速度、内部副反应速度的差别。造成使用过程不一致的主要原因如下。①电池初始性能的差异会在使用过程中逐渐反映到电池实际容量、内阻和SOC上，如生产时内部杂质含量、内阻及充电效率等差异会反映到电池的自放电特性、荷电状态、内部发热热量及性能衰退速度上。以充电效率为例，当两只初始容量均为100Ah，充电效率分别为99.9%和99.95%的电池，经过100次循环后，容量分别为100×(99.9%)1W0=90Ah和100×（99.95%）100=95Ah，200次循环后，容量分别为81Ah和90Ah，300次循环后，分别为74Ah和86Ah。可见，即使是很小的充电效率差异（0.05%)，经过一定的循环次数后，会造成不可忽视的容量差异。电池不一致性检测电池不一致产生的原因（2）使用过程中的不一致②纯电动汽车用电池空间狭小，电池热场分布和热管理的有效性直接影响到摆放在不同位置上的电池温度差异实际装车的电池在一天的运行过程中，不同温度采样点得到的最高温度和最低温度变化曲线，温度差异约为10℃，这最终会导致电池的性能以不同速度衰退，最终加大了电池模块的不一致性。电池不一致性检测

车辆在不同温度下的放电曲线电池不一致产生的原因（2）使用过程中的不一致③由于容量小、内阻大、自放电率高的电池在充放电过程中更容易发生过充电、过放电和过热，导致电池性能下降速度加快，呈现“正反馈”，电池模块不一致性问题被加速放大。如初始容量存在差异时，容量小的单体电池电流接受能力较差，在充放电电流相同的情况下，该电池的衰减速度势必将大于容量大的电池，如此出现恶性循环，将导致电池模块不一致性问题被加速放大。电池不一致性检测电池不一致产生的原因（2）使用过程中的不一致④由于电池初始性能差异的累积和电池模块工作环境的差异，电池间极化现象和极化深度的差异会被逐渐放大。极化过电势可以反映出电池内部化学反应速度和反应状态。一方面，由于电池生产工艺无法保证电池内部活性物质和配料的完全一致，势必会导致电池使用过程中内部化学反应的差异;另一方面，随着使用过程中电池初始性能差异的累积和放大，处于不同老化阶段的电池的内部化学反应也存在差异，这些差异也最终反映到电池的外电压上。电池不一致性检测电池不一致产生的原因（2）使用过程中的不一致电池模块内电池不一致参数之间并不是相互独立的，是互相耦合、互相影响的。电池初始容量的不一致及衰退速度的不一致是造成SOC不一致的原因，而所有的不一致性最直接的表现形式就是电池电压的不一致，电池电压的不一致性可以从一定程度上反映电池其也参数之间的差异。电池不一致性检测影响一致性的因素及其耦合关系电池不一致性分类根据使用过程中电池不一致性扩大的原因和对性能的影响方式，电池的不一致性可以分为容量不一致性、电压不一致性和电阻不一致性。

无论哪种电池类型，其单体电池的电压和容量都无法满足电动汽车的需求，为了达到一定的电压、功率和能量等级，必须通过串并联的方式组成电池模块，为电动汽车提供能量。然而实践发现，即使电池成组经过了严格的筛选，在实际使用时，电池模块在容量利用、安全性及寿命等方面的性能依然远不及单只电池，其核心问题在于电池模块的不一致性。由于不一致性的存在，电池成组应用存在类似于木桶短板效应的问题，同时不一致性对电池模块的可用容量及可靠度具有重要影响。本节结合纯电动汽车的实际应用特点，从不一致性产生原因及其对电池模块性能的影响进行分析和讨论。电池不一致性检测电池不一致性的影响电池不一致性检测容量和功能充电时，先于其他电池充满电的部分电池限制了电池模块的充由容量，从而导致电池模块的总存储容量和能量减少;在放电时，先于其他电池放完电的部分电池限制了电池模块的放电容量，从而导致电池模块存储的容量和能量不能得到充分利用，从而很难平衡成组电池使用的安全性和高效性之间的矛盾，这就是成组电池的不一致性导致的“木桶效应”。功率输出当接近充满电或者放完电的时候，电池的最大允许充放电电流会有所下降。当存在差异的电池串联成组的时候，在充电过程中，SOC偏高的电池会限制整组电池的充电电流，使得充电时间增加;同理在放电过程中，SOC偏低的电池会限制整组电池的功率输出能力，降低驾驭的动力性能和舒适程度。还有，在接近充满电或者放完电的时候，电池的极化电压明显增加，能量利用效率下降。电池模块状态估算充电时，先于其他电池充满电的部分电池限制了电池模块的充由容量，从而导致电池模块的总存储容量和能量减少;在放电时，先于其他电池放完电的部分电池限制了电池模块的放电容量，从而导致电池模块存储的容量和能量不能得到充分利用，从而很难平衡成组电池使用的安全性和高效性之间的矛盾，这就是成组电池的不一致性导致的“木桶效应”。电池不一致性的影响电池不一致性检测与单只电池相比，一致性使得电池成组后的使用更加复杂，继承单只电池简单的采用基于端电压的状态估算和充放电控制模式并不能有效地保证电池使用的安全性;而采用单只电池电压控制的时候，电池的容量乂个能得到有效的利用，电池使用过程的高效性不能得到有效的保证。所以对电池的一致性建立价体系开据此对电池模块进行均衡，能有效地提高电池模块的容量和能量利用效率，保证电池使用的高效性。报数法任意指派一名学生开始从1-5依次报数报相同数目的同学为一组电池不一致性检测电池不一致性检测资料员负责查阅动力蓄电池PACK教学实训平台使用说明书。操作员安全完成电池不一致性检测。安全员进行安全监督。完成电池不一致性检测电池不一致性检测电池不一致性检测汇报时阐述操作步骤报告小组分工情况报告小组工作目标动力蓄电池PACK教学实训平台绝缘手套、护目镜、安全帽、耐磨手套万用表、高压安全防护用品教学实训平台说明书电池不一致性检测触碰高压注意安全防护。小心碰头。小心重物砸脚。操作时不佩戴金属饰品。调试人员必须佩戴防护工具。严格按照标准流程完成。电池不一致性检测电池不一致性检测电池单体编号电压值电池单体编号电压值

电压值不一致电池单体编号

电池单体电压检测记录电池均衡定义在使用一段时间后，电池不一致性问题会逐渐地显现，这使得电池模块的容量和能量都不能得到有效的利用，对于电动汽车而言，运行的效率下降，一次性充电续驶里程缩短。为了解决这个问题，最常用的办法就是对电池进行均衡。电池均衡是指通过对电池模块中的部分电池单体单独充电或者放电的一种维护方法，达到调节各电池单体运行状态的目的，从而在保证所有电池单体不出现过充电和过放电的前提下增加电池模块的最大可用容量。电池均衡操作电池均衡定义有些电动车辆的电池包里会有数百甚至数千节电池。这些电池会采用“串并”的方式组合，串联升高电压、并联扩大容量，因此在使用过程中就无法保证每节电池或某个模块不出现电压、容量、温度的差异，这就会造成不均衡或不平衡趋势的问题。电池均衡操作电池均衡定义假设某几个电芯或模块出现容量的严重下降，电压自然也会降低。充电的时候这些电池就会先充满，而控制单元在检测到这些电池充满之后就会停止充电，但此时其他电池还没有充满，然而也是不得不停止充电。这就导致电池模块总也充不满，续航里程当然会受到影响。如图所示。在用车过程中可能出现“跳电”的情况，比如SOC-40%行驶中，正常驾驶忽然出现从40%降低到20%，这两成的电量可能只能行驶几百米，但在40%～60%区间却可以行驶几十千米，电池模块的问题就很严重了，此时就需要进行均衡充电。电池均衡操作动力电池包无法充满示意图电池均衡分类电池均衡分为车辆行驶过程中BMS对电池的均衡管理和维修工作中使用均衡仪对电池的均衡操作。车辆行驶过程中，BMS实时监控电池单体的电压，计算电池单体间最大压差，压差大于10mV时，不进行均衡，压差在10mV～50mV之间时，实施均衡控制。如果电池单体间最大压差超过50mV，BMS报电池单体压差相关故障，需要使用电池均衡仪对电池模块进行均衡操作。电池均衡操作电池均衡分类（1）BMS均衡内部均衡就是通过电池的外部辅助电路对需要均衡的电池进行充电或者放电，从而保证电池模块内部单体处于一致，让电池模块内部单体能够同一时间充满电，也能在同一时间完成放电，提高电池模块能量利用率，同时还能防止单体出现过充或者过放的情况，保证电池模块的安全性。。电池均衡操作电池均衡分类（1）BMS均衡木桶效应能够形象的描述不一致性的影响，当电池模块在放电时，最小容量单体很快进入放电截止状态，到达截止电压会触发电池管理系统欠压保护，这时BMS会发出控制信号让电池模块停止放电，避免某一单体出现过放现象。在充电时，容量最大的电池相对于其他单体更早的到达充电截止状态，此时会触发电池管理系统过压保护，为了避免某一单体过充而导致安全问题，BMS会发出控制信号让整个电池模块的停止继续充电，这时其他容量较小的电池还没达到充电截止电压，使得整个模组的充电效率降低。BMS均衡一般分为主动均衡、被动均衡两种。电池均衡操作电池包的木桶效应电池均衡分类（1）BMS均衡①主动均衡主动均衡是运用储能器件等，将荷载较多能量的电芯部分能量转移到能量较少的电芯上去，是能量的转移。均衡充电时，电容通过其控制开关交替与相邻两个电池连接，接受电压高电池的充电，并向电压低的电池放电，直到两个蓄电池的电压趋于一致。电池均衡操作电池管理系统均衡管理功能展示-主动均衡（此处为动画1）电池均衡分类（1）BMS均衡②被动均衡被动均衡指的是在充电过程中，运用电阻器，将高电压或者高荷电量电芯的能量消耗掉，以达到减小不同电芯之间差距的目的，是一种能量的消耗。当各单体电池电压接近一致时，继续进行充电。此过程一直重复进行，直到各单体电池电压接近一致。电池均衡操作电池管理系统均衡管理功能展示-被动均衡（此处为动画2）电池均衡分类（2）均衡仪均衡均衡仪对电池进行均衡作业时需要注意均衡仪的操作方法和均衡方法，均衡方法包括有基于端电压均衡、基于最大可用容量均衡、基于最大可用能量均衡、基于电池单体SOC均衡等。基于电池单体端电压的均衡是指在均衡过程中始终以电池单体端电压作为控制对象，首先确定电池单体均衡的目标电压，之后对高于目标电压的电池单体进行放电，对低于目标电压的电池单体进行充电，由此调整电池单体电压趋于一致。电池均衡操作电池均衡分类（2）均衡仪均衡基于电池单体端电压的均衡是指在均衡过程中始终以电池单体端电压作为控制对象，首先确定电池单体均衡的目标电压，之后对高于目标电压的电池单体进行放电，对低于目标电压的电池单体进行充电，由此调整电池单体电压趋于一致。电池均衡操作基于电池单体端电压均衡示意图电池均衡分类（2）均衡仪均衡电池单体均衡的目标电压可以是所有电池单体中的最低电压、最高电压以及平均电压。BMS对电池的均衡管理多使用电池单体的最高电压作为目标电压；而在维修过程中，多使用电池单体的最高电压或最低电压作为均衡的目标电压。电池均衡操作基于电池单体端电压均衡流程均衡标准对电池进行均衡操作后，要求电池模块所有电池单体间最大压差不超过10mV。如果电池产品说明书对电池单体间最大压差有规定，以规定数值为准。电池均衡操作均衡策略一般情况下，使用电池均衡仪对电池模块进行均衡操作，电池均衡仪如图所示。电池均衡仪的操作步骤如下：（1）充电均衡充电均衡是在动力电池充电过程的中后期，动力电池单体电压达到或超过截止电压时，均衡电路开始工作，减小动力电池单体电流，以期限制动力电池单体电压不高于充电截止电压。充电均衡的唯一功能是防止过充电，而在放电使用中将带来负面影响。在使用充电均衡时，小容量动力电池单体没有过充，能放出的电量小于不用均衡器时轻度过充所能释放的电能，使得该动力电池单体放电时间更短，过放的可能性就更大了。电池均衡操作电池均衡仪均衡策略（1）充电均衡在锂动力电池在充电过程中，每节锂动力电池都设有一个均衡电路（每个锂动力电池上并一个并联稳压均衡电路），在充电时通过均衡电路来控制每节锂动力电池的电压，使每一串锂动力电池保持相同状态，保证锂动力电池的性能和寿命。电池均衡操作充电均衡均衡策略（1）充电均衡如果锂动力电池均衡电路设定的电压为4.2V，当锂动力电池没有达到4.2V时，并联稳压电路不起作用，每节锂动力电池继续充电，充电电流继续从锂动力电池上通过。当2#锂动力电池端电压达到4.2V时，均衡电路开始工作，它会把电压一直稳定到4.2V，即充电电流不再经过2#锂动力电池，如图所示。这样1#、3#、4#锂动力电池的充电时间也相应延长，进而提升整个锂动力电池组的电量。但2号锂动力电池放电电量100%被转换成热量释放，造成了很大的浪费（2号锂动力电池的散热是系统的损失，也是电量的浪费）。电池均衡操作均衡策略（2）放电均衡放电均衡最主要的作用是对大容量电池进行放电电流分流,弥补小容量电池放电能力的不足,由于电池容量差异巨大,因此,在大电流均衡充放电情况下,两块电池的的实际充放电电流差异非常大,差异非常明显。电池均衡操作均衡策略（2）放电均衡均衡放电的实际意义大于均衡充电，均衡放电能反映出电池组的实际可用容量，无论是理论上还是实践上，电池组的均衡放电容量都大于常规放电容量，特别是对于发生了一致性问题的电池组，一致性问题越严重，实际放电容量差异越大。均衡放电的目的是要让所有高于平均容量的电池容量大部分都能发挥和释放出来，增加总体放电时间，在此期间还必须保证所有电池都能安全放电，不会有电池发生过放电情况。电池均衡操作均衡策略（3）充放电均衡电池组充电时，对电池组中能量最高的单体电池进行放电，而电池组放电时对电池组中能量最低的单体电池进行充电，该均衡策略能有效提高电池组的充放电容量。电池均衡操作均衡仪均衡方法（1）产品描述便携式电池组均衡维护仪是为解决动力锂电池串联成组后，因各单体电池的不一致性扩大而导致电池组循环寿命缩短的问题而设计开发。均衡维护系统采用模块化设计，即一个具有完备功能的受控的充放电模块对应一个单体电池组成。并采用独立的均衡充放电控制技术，保证各单体电池均能达到自身的最大容量，均衡完成后不一致性控制在允许的范围内，从而延长动力锂电池组的循环使用寿命。均衡维护系统支持对每个单体电池电压的实时监控和充电或放电能量的计量，并可对测试数据进行保存或通过通信接口将数据上传。均衡维护系统采用多重保护，确保电池及设备本身的安全。便携式电池组均衡维护仪适用于磷酸铁锂、三元锂、钛酸锂等动力锂电池,支持12*N(N≥1,均衡单元数)个充放电通道；恒流可设置电流0~±5A(另有±10A产品),输入电源采用交流220Vac。电池均衡操作均衡仪均衡方法（2）均衡模式①并充模式：设备所有通道设定充电电流和截至电压，通过充电将模组电芯充到同一电压实现均衡的效果。②并放模式：设备所有通道设定放电电流和截至电压，通过放电将模组电芯充到同一电压实现均衡的效果。③混合模式：不同通道之间通过充电和放电将模组电芯的电压调整到同一电压值，为保证均衡效果，该均衡电压设置值避开电池的电压平台值,如铁锂电池的3.2V。④通道并联模式：相邻通道可以通过并联,增加输出电流,更快速均衡。⑤单元独立模式：各个单元的通道独立均衡，其中一个单元通道出现故障时该单元内通道停止工作，但不影响其它单元的通道继续运行。⑥单元串联模式：所有单元同时均衡，任意单元的任意通道出现故障时所有单元内通道都停止运行。⑦通道接口采用两线制输出，便于通道并联扩容以及通道灵活使能,当一个通道出现故障时可以舍弃后继续使用设备。电池均衡操作均衡仪均衡方法（3）电池均衡仪使用步骤一般情况下，使用电池均衡仪对电池模块进行均衡操作，电池均衡仪如图6-12所示。电池均衡仪的操作步骤如下：

①检查均衡仪器及匹配线束是否弯折，破损；②将电池均衡仪总负极线束与电池模块负极相连；（注意：总负极线束共有两根，一根为电压检测线，一根为均衡电流线）③依次将电池均衡仪各通道连接线束与电池单体正极相连；

④将电池均衡仪总正极线束与电池模块正极相连。电池均衡操作连接电池模块到均衡仪之间线束均衡仪均衡方法（3）电池均衡仪使用步骤一般情况下，使用电池均衡仪对电池模块进行均衡操作，电池均衡仪如图6-12所示。电池均衡