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大家好，我是西山云舞，爱实践爱分享的伪极客，欢迎关注。本文提及的动力电池掉电和原理对策，也适用于电动汽车，全文2000字，阅读大约5分钟。 电池掉电趴窝昨天，老婆骑着买了三年的小牛G0-40电动车上街，出门的时候显示还有一半电量，但是骑出去走了1公里就趴下了。老婆力气小推不了那么远，只好丢在路边（没电也锁不了车），扫了一台共享电动车回家，可怜巴巴的跟我诉苦。我安慰完她，马上骑自行车带上一把u型锁，把车锁上，然后电池抽出来带回家充电。插上充电器直接显示绿灯，充不进去了。 
测量端电压，只有15.21伏，似乎处于保护状态。 
这是一块15串磷酸铁锂电池组，额定容量12Ah、576Wh，充电截止电压53.5V。 重新激活电池用实验室电源进行充电，电压设定为充电截止电压，电流限制为1A，实际充电电流只有180毫安左右，总功率约8W，看上去像是在进行低SOC端被动均衡。合每节电芯约0.6W的均衡功率。 
对比网上这块电池的拆机图片，就是用51Ω电阻作为放电负载（电路板中间那一排电阻），发电电流约60mA，每一节电池均衡功率0.2W。 
经过5个小时涓流均衡，电池端电压恢复到48.4V。 
然后给电池组插上充电器，能够正常充电了。 
根据智能插座的记录，估算充进了大约522Wh，充电的末段依然有异常情况，充电功率有跌落。 
电池均衡充电完毕充电器转绿灯。过了10分钟，充电器的绿灯又变成红灯，充了不到一分钟又转绿灯结束充电；20分钟后又一次短暂的充电；短暂充电的间隔越来越长，12小时后间隔趋于平均。 
测试的接近两天，最后稳定在每隔4小时25分，充电10秒钟，充电直流功率155W，折算电池内平均放电功率97.5mW，基本上就是电控板的能耗，也就意味着均衡已经结束。 
根据上面几个图的数据，首次充电在0:00左右结束的时候，BMS收到部分电芯到达充电截止电压的信号，开始均衡动作，大概在7:00结束。 把电池装回车上，使用正常了，我估算了一下，跑了30多公里才再次充电，容量没有明显的下降。 这台小牛G0-40电动自行车是2020年8月在佛山市市东下路的小牛专卖店买的，到现在刚好满三年，已经跑了大约5000公里，这台车中控有个毛病，里程表会不定期自己归零，所以没法统计准确的总里程。但粗略估算，这块电池的循环次数不超过200次，对于磷酸铁锂来说，才用了1/10的循环寿命，为什么就出现掉电故障了呢？ 
磷酸铁锂电池组掉电原理我们发现，无论是电动自行车还是电动汽车，出现掉电现象的绝大部分是使用磷酸铁锂电池组的车辆，但同时也有大量应用磷酸铁锂的车主声称从没有发生过掉电现象，包括一些年限不短的车。 为什么三元锂电池组很少出现掉电？而同是磷酸铁锂，为什么会出现这种截然不同的情况呢？
电池自放电几乎所有的电池，包括不可充电的一次电池、可充电的二次电池，都存在自放电现象，也就是电池充满电放一边不用，过一段时间，电就全跑光了。航模用的高倍率动力锂电池，充满放三个月，电就差不多没了，汽车用的锂电池，最起码可以坚持一两年（指不接电池桩头）。 同一型号的电池，自放电率与原材料和工艺有很大关系，同一批电池都有较大的离散性，具体的原理就不赘述了。也就是说，电动自行车或电动汽车上的电池包，里面是十几个到几百个“电芯”串并联起来的，这些电池自放电的速度并不一样，如果不加以管理，一个电池包里面，可能自放电最快的电芯快没电了，但自放电最慢的电芯还有一多半的电量。 
这时候电池组总的端电压看上去还有差不多一半的电，但实际上一放电，电量最低的那节电芯就触发低电压放电截止保护，出现所谓的掉电（虚电）现象。 
而此时拿电池组去充电，充了一半的电量，那一节自放电率低。的电池就充满了，触发了充电截止保护。整个电池组看上去就剩下了一半的容量，但其实里面每一个电芯容量都没有下降。  电池组均衡为了避免出现这种现象，就要用电池管理系统（BMS）来对单颗电芯进行自放电管理，这部分的原理很简单，就是BMS发现各个电芯电压参差不齐，就通过给电压偏高的电芯放电（被动式均衡），例如小牛这块电池；或者把高电量电芯的电荷转移给低电量的电芯（主动式均衡），直到所有电芯电压一致。这样电池组的容量就恢复了，也消除了掉电（虚电）现象。
磷酸铁锂的特点放电平台电压跌落小，是磷酸铁锂电池的一个显著特征，下图是磷酸铁锂（红线）跟三元锂（蓝线）的电压平台比较。 
可以看到三元锂电池放电过程，电芯端电压是有明显下降，在20%~80%的荷电区间电芯电压变化达到400mV；而相应的，磷酸铁锂只有100mV。 酸铁锂这种特性对于电池管理系统（BMS）来说是一个极大的挑战，在一个宽广的荷电范围内，电池端电压只有数十mV的变化， 加上在电池寿命周期内不断变化电池内阻在充放电时附加的欧姆压降和极化电压，还有外界干扰，还有电池之间的个体差异，BMS很难通过端电压来准确确定电池所处的荷电状态。磷酸铁锂在接近充满电的小范围内，电压变化才明显，所以电池组的BMS通常只在电池充满电而且还插着充电器的时候进行均衡，在放电平台中间是不均衡的。 均衡的困难我给这台电动自行车充电是很少充满了放尽的，主要是为了延长电池的循环寿命（目前常见的所有类型锂二次电池，包括磷酸铁锂、三元锂，浅充放都能明显延长电池的循环寿命，例如使用20%~80%充电区间，一块电池的“使用里程”可以延长超过一倍）。 我一般的使用习惯就是，开回来就插电，根据剩余电量估算充电时间，让小爱同学定个闹钟，没充满就拔掉。 下图是这台小牛G0-40随车电池的实测充电曲线，我经常使用的是红线中间的区域。 
问题根源就在这里，这两段红线之间电池端电压从50.4～51.2V，相差只有0.8V，对应端电压变化率是1.6%，是一个非常平缓的平台（注意这个图纵坐标，起点是42V），对应单颗电芯的电压，是3.36～3.41V，相差仅有0.05V，即50mV。在这个范围内，电池组的BMS没有机会进行电芯均衡。而在三年里面，这块电池充满电依然插着充电器的机会，加起来不超过5小时，无法有效补偿这三年间，由于电芯自放电率离散性带来的容量差异。最终导致了趴窝事件。 哪种情况容易掉电由上述可知，磷酸铁锂电池组的车辆，一般是在充满电后，依然插着电的情况下进行电池均衡。 由于均衡的电流并不大，所以每年要有足够的小时数，才能弥补自放电带来的电芯之间的容量差。 看到这里，大家应该能想到，那些长期使用公共充电桩，充满就要马上离开的车，特别是24小时连续运营的出租车，连充满电的机会都不多，很容易出现掉电的问题。而那些经常在家插电一整个晚上的车辆，则因为有足够的均衡时间，基本不会出现掉电问题。 而三元锂电池，由于电压变化明显，BMS是可以随时把握电池的实际容量，适时进行均衡，所以极少出现这种掉电的现象，除非BMS的硬件设计或者算法有问题。 下图是我在2014年准备购买某B字头的电动汽车时，试图找到锂电池的寿命过程中收集到的数据，来自某B字头企业的公开年报。数据显示，当年其投资经营的某纯电出租车公司，基本上也是三年后出现大量的维修支出，平均每台车7万RMB。 
应对策略而避免这种情况的方法也很简单：每年保证充满电之后继续插电足够小时数就行了（你有我这台小牛计算得出，每个月均衡时间>5小时）。某T字头厂商建议：配备磷酸铁锂电池（LFP）的车型，即使是日常使用，也应该将充电限制设置为 100%，并且每周至少一次充电至 100%。另外，如果车辆停放超过一周，则建议尽早充电至 100%。 同一时间，对三元锂电池车型的建议依然是日常充电至90%，以延长寿命。 下一回，我打算聊一聊，如何把磷酸铁锂和三元锂电池的循环寿命最大化，以及具体策略的区别。 如果觉得对您有帮助，记得打赏、点赞、收藏、转发哦，你的肯定是我的动力，谢谢！
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雷达卡
发表于 2024-8-22 23:59:01
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千斤顶
发表于 2024-8-23 07:29:21
