同样是锂电池，为什么手机和电动车使用时间相差甚远？

　　同样是锂电池，为什么手机和电动车使用时间相差甚远？我的iPhone 8P用了一年半，现在“电池健康”显示数值为85%——而作为对比，我的插电混动车开了两年快3万公里。看不到具体衰减数值，但充满电的续驶里程从63掉到了62km，满打满算这62马上就要衰减到61，那就是掉了2km，健康度为96.8%。这比手机的健康数字，要看上去好很多。

　　虽然插混车不等于电动车，但是我基本天天充电，纯电里程占比超过70%是没有问题的。

虽然只剩85%的容量，但iOS还是提醒我说，我的手机处于“峰值性能容量”

　　相比于手机，电动车的电池在整个寿命循环中，面临的挑战很不一样。主要有两个优势和一个劣势：

　　优势一是放电循环次数少——用掉一次100%的能量记为一个循环，对于我这样的iPhone用户来说，手机每天用超过100%的电量是蛮正常的；但是电动车续驶里程至少有300km，除了出租车之类的运营车辆，很少有人会每天保持开300km以上。长此以往，手机的放电循环次数，往往会会远高于电动车。

　　优势二是电动车对于续驶里程的追求尽管迫切，但是比起手机来说还是没有那么迫切。我们打开手机看看就知道，电池的体积和空间占了手机整体的一半都不止；而电动车电池虽然大，但还不至于这么夸张。这样工程师就可以适度降低电动车电池的放电深度( DOD,Depth of Discharge )尽量避免电池在电量最高和最低的区间使用，有助于减缓衰减，延长电池寿命。

iPhone 8P里苹果就是塞了个线性马达,但是就被人质疑太占用电池的空间(尽管我很喜欢iPhone的震动手感)。相比之下电动车电池的空间占比就显得小了。

　　至于那个劣势，就是电动车的电芯要多很多。一辆车一般有个一两百节电芯是正常的，像特斯拉这样使用消费电子领域圆柱电芯的，可能有6000节左右电芯需要管理。而手机一般只有一片电芯。电芯间的差异会导致性能方面的限制，作为一个新能源汽车科普号，接下来我们就介绍一下，新能源汽车工程师是如何解决这个问题的。

　　而电芯间不一致，是可以通过BMS（电池管理系统）来“妙手回春”的。其中很重要的“治疗过程”就是——“电池均衡( Balance）”。

　　电池包下线出厂时，所有电芯的容量和SOC基本一致，这里可以把每个电芯看做一个碗。

　　容量一致，是指每个碗的大小-样。SOC( State of Charge ,荷电状态)一致，是指50ml的碗装25ml水和40ml的碗装20ml水时的SOC都是50%，剩余容量与其满电容量的比值相同。

　　只有在容量一致，SOC也一致的状态下，所有电芯才能同步充满和放空。电池包能充入和放出的电量最多，所有电芯的能力都可以得到最大的释放，电池包容量也可以达到最大值。一般电池在出场的时候能基本达到这种状态。

这种整整齐齐的状态，基本只存在在电池刚刚出厂的时候。

　　步调整齐，一致性好。但就像同一个班级总有100分和60分一样，随着使用年限和充电次数的增加，电池内部也不可避免的出现一些小变化，电芯容量与电芯内剩余电量百分比SOC开始出现不同。

根据木桶原理，一个平放的木桶，它能装的水量是由最短板决定的，电池包容量也是如此。

所有电芯同步充放电的，此时只要有一个电芯充满或放空，其他电芯便不能再继续充放电，这会导致：

　　①电池包内存储的总能量减少，续驶里程缩短；

　　②电池老化衰减变快；

　　会导致某些电芯在充电或者放电的过程中过流，进而导致析锂，即锂离子变为锂单质，不可再用。析锂这种不可逆的衰减，将对电池包造成永久伤害。

　　③过充过放的概率增大,增加安全隐患；

　　一旦有某一电芯充满，不论其他电芯还缺少多少电量都不能继续充电，否则会出现过充或过放现象。长期过充可能会导致电芯起火等危险事件，长期过放会导致电芯内部结构破坏，同样增加安全隐患。

参差不齐，一致性差

电芯间的差异一般有三种:

　　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。

　　对于第一种情况，SOC一致，容量不一致。就好像一个碗的边缘有了缺口，原本能装50ml水，但现在只能装40ml，否则就会从缺口漏出来。此时，容量小的最先充满和放空，是整个电池包容量的瓶颈。我们想象一下，在充电前，三节容量不同的电芯他们的SOC是相同的，即当前电量都是满电电量的一半。

　　起始状态：三节容量不一致的电芯都处于50%SOC，即当前电量都是满电电量的一半。在充入相同的电量后，容量最小的电芯达到满充状态。这时无法对电芯继续进行充电，因为如果继续充，那节容量较小的电芯，将会过充电，长期过充甚至会导致电芯起火等危险事件。

在这种情况下，容量小电芯，会最先被充满和放空

　　同理，对这些电芯进行放电时，容量最小的电芯同样首先达到放空状态。此时无法继续放电，因为如继续放电，已放空的电芯将会过放电，长期过放会导致电芯内部结构破坏，发生危险。

　　对于第二种情况，容量-致，SOC不一致。这就类似于每个碗都是完好的，但是碗内的水量不尽相同。有的当前电量是满电状态的70%，有的是50%。

　　起始状态：容量相同的三节电芯，SOC当前电量与满电电量占比不一样。可以发现，SOC最高的电芯最先充满，SOC最低的电芯最先放空。而且此时只能停止充放电，以避免过充和过放行为发生。SOC最低的电芯是整个电池包容量的瓶颈。

在这种情况下，SOC最高的电芯最先充满，SOC最低的电芯最先放空

　　但实际场景往往更复杂，容量和SOC都可能不一致。这类似于有的碗有缺口，有的碗没有缺口，有缺口的碗的缺口大小还不一致。同时，每个碗里的水量也不一样。

这时候，SOC最高的电芯可能最先充满，也有可能最先放空。已经无法再简单地将电芯当前的容量或者SOC作为评判标准。

　　面对现实中更复杂的电动汽车使用工况下，对均衡逻辑判断及控制模块提出了较高的要求，即检查手段和医术水平都必须升级。电芯外部能够实时测量到的变量一般有三个，将此电压，电流与温度的信息引入算法，即可得到每节电芯的SOC值、此时的可用容量。将两个数据结合，综合判断此时电芯间的不一致状态，就可以以此为依据判定电池包是否需要进入均衡状态。

锂电池均衡具体是如何操作的？

　　锂电池均衡技术主要分为两种：被动均衡与主动均衡。

　　被动均衡又称为能量耗散式均衡，工作原理是在每节电芯上并联一个电阻。当某个电芯已经提前充满，而又需要继续给电池包充电时，接上电阻，对其进行放电，把多余的能量耗散掉。

典型的被动均衡电路

　　被动均衡电路的优点是结构简单，布局成本低，硬件实现简单等，在电动汽车上广泛应用。说白了就是在模组控制电路板上设计很多的电阻，一个电阻对应一节电芯。当某节电芯的SOC较高时，就主动将能量通过电阻发热，耗散掉。

我们能清楚看到，控制器PCB板上的放电电阻

　　但同时，被动均衡的缺点也很明显。多余的能量会直接转化为热被耗散掉，能量使用效率低。如果在行车中使用被动均衡，还可能会对续驶里程产生影响。另外，均衡产生了大量热，对电路稳定性也存在一定的影响。因此，对被动均衡电路来说，一个优秀可靠的均衡控制策略就显得尤为重要。

　　另一种专业叫法是非能量耗散式均衡，也就是主动均衡。其原理为将能量高的电芯内的能量转移到能量低的电芯中去。这个碗里装不下，贡献出来，转移到没有填满的碗。

　　从专业结构上来说，主动均衡还可以细分为开关电容式均衡，变换器式均衡以及电感式均衡。

　　以开关电容式均衡电路为例，电容作为能量的载体，将能量较多的电芯中的能量转移到能量较低的电芯中。单一层级的均衡仅可实现相邻两节电芯的均衡。在均衡电路上再加入分层电路，可进一步实现锂电池组间的均衡，加速均衡速度。

开关电容式均衡电路

典型的分层式均衡电路

　　主动均衡电路的优势在于能量损耗较小，但是其回路成本高,拓扑结构复杂。而且电容和电感的体积大，会导致空间需求大等。因此在电动汽车上的应用量较小。如何攻破主动均衡在结构硬件上的难题，是目前各BMS研发团队的研究重点之一。

　　其实不论是主动均衡还是被动均衡，如何让每个碗都尽量的多装水，同时也可以将碗内的水都尽量放空，是设计的最终目标。

　　必须要看到的是，衰减是真实存在的，就像衰老是真实存在的，每个人活一天就少一天。但如果天天这样想，生活会变得很灰暗。优秀的BMS工程师，可以通过以上方式，将锂电池寿命衰减的速度控制在合理的范围内。

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