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，現在“電池健康”顯示數值為85%——而作為對比，我的插電混動車開了兩年快3萬公里。看不到具體衰減數值，但充滿電的續駛里程從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中，面臨的挑戰很不一樣。主要有兩個優勢和一個劣勢：

　　優勢一是放電循環次數少——用掉一次100%的能量記為一個循環，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；但是電動車續駛里程至少有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，手機的放電循環次數，往往會會遠高于電動車。

　　優勢二是電動車對于續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電芯是正常的，像特斯拉這樣使用消費電子領域圓柱電芯的，可能有6000節左右電芯需要管理。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）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)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。

這種整整齊齊的狀態，基本只存在在電池剛剛出廠的時候。

　　步調整齊，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的增加，電池內部也不可避免的出現一些小變化，電芯容量與電芯內剩余電量百分比SOC開始出現不同。

根據木桶原理，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充放電，這會導致：

　　①電池包內存儲的總能量減少，續駛里程縮短；

　　②電池老化衰減變快；

　　會導致某些電芯在充電或者放電的過程中過流，進而導致析鋰，即鋰離子變為鋰單質，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。

　　③過充過放的概率增大,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充電，否則會出現過充或過放現象。長期過充可能會導致電芯起火等危險事件，長期過放會導致電芯內部結構破壞，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，三節容量不同的電芯他們的SOC是相同的，即當前電量都是滿電電量的一半。

　　起始狀態：三節容量不一致的電芯都處于50%SOC，即當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。這時無法對電芯繼續進行充電，因為如果繼續充，那節容量較小的電芯，將會過充電，長期過充甚至會導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。此時無法繼續放電，因為如繼續放電，已放空的電芯將會過放電，長期過放會導致電芯內部結構破壞，發生危險。

　　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，但是碗內的水量不盡相同。有的當前電量是滿電狀態的70%，有的是50%。

　　起始狀態：容量相同的三節電芯，SOC當前電量與滿電電量占比不一樣。可以發現，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。已經無法再簡單地將電芯當前的容量或者SOC作為評判標準。

　　面對現實中更復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，即檢查手段和醫術水平都必須升級。電芯外部能夠實時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，即可得到每節電芯的SOC值、此時的可用容量。將兩個數據結合，綜合判斷此時電芯間的不一致狀態，就可以以此為依據判定電池包是否需要進入均衡狀態。

鋰電池均衡具體是如何操作的？

　　鋰電池均衡技術主要分為兩種：被動均衡與主動均衡。

　　被動均衡又稱為能量耗散式均衡，工作原理是在每節電芯上并聯一個電阻。當某個電芯已經提前充滿，而又需要繼續給電池包充電時，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

　　被動均衡電路的優點是結構簡單，布局成本低，硬件實現簡單等，在電動汽車上廣泛應用。說白了就是在模組控制電路板上設計很多的電阻，一個電阻對應一節電芯。當某節電芯的SOC較高時，就主動將能量通過電阻發熱，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，還可能會對續駛里程產生影響。另外，均衡產生了大量熱，對電路穩定性也存在一定的影響。因此，對被動均衡電路來說，一個優秀可靠的均衡控制策略就顯得尤為重要。

　　另一種專業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的能量轉移到能量低的電芯中去。這個碗里裝不下，貢獻出來，轉移到沒有填滿的碗。

　　從專業結構上來說，主動均衡還可以細分為開關電容式均衡，變換器式均衡以及電感式均衡。

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

開關電容式均衡電路

典型的分層式均衡電路

　　主動均衡電路的優勢在于能量損耗較小，但是其回路成本高,拓撲結構復雜。而且電容和電感的體積大，會導致空間需求大等。因此在電動汽車上的應用量較小。如何攻破主動均衡在結構硬件上的難題，是目前各BMS研發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，同時也可以將碗內的水都盡量放空，是設計的最終目標。

　　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。

本文鏈接：http://m.ipodev.com{dede:field.arcurl/}

諾信新聞,諾信公司新聞,鋰電池行業新聞,展會新聞