摘 要：本文通過研究電動(dòng)汽車動(dòng)力電池均衡系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)，分析了動(dòng)力電池平衡措施的應(yīng)用，動(dòng)力電池均衡算法，動(dòng)力電池均衡電流要求，主動(dòng)與被動(dòng)均衡的對(duì)比，完成串聯(lián)電池組均衡控制，可使不一致性得到改善，使用容量最大化、使用周期延長(zhǎng)、能量利用率提升。

關(guān)鍵詞：電池管理系統(tǒng) 電池均衡 充電保護(hù)

鋰離子電池已經(jīng)成為消費(fèi)類產(chǎn)品（例如手機(jī)或筆記本電腦）所用小型電池的主要選擇，并且在汽車牽引和陸基分布式儲(chǔ)能等大型電池應(yīng)用中，也逐漸呈現(xiàn)出取代鉛酸電池和鎳氫電池的趨勢(shì)。僅當(dāng)管理得當(dāng)時(shí)，鋰離子電池才能夠表現(xiàn)出比其他化學(xué)電池更加優(yōu)良的特性，因此，鋰離子電池需要配備有效的電池管理系統(tǒng)（BMS）。

雖然鋰離子單體電池性能優(yōu)異，但也不允許使其工作在嚴(yán)格安全區(qū)域之外， 否則會(huì)產(chǎn)生令人不滿意甚至危險(xiǎn)的后果。在多數(shù)情況下，單體電池故障的后果也僅僅是電池使用壽命縮短或者電池?fù)p毀，不會(huì)發(fā)生安全事故。然而濫用鋰離子單體電池則是一件極其危險(xiǎn)的事情，并且很容易對(duì)單體電池造成嚴(yán)重的物理?yè)p害（穿孔或破碎）和/或過熱（由過電壓、過電流或外部發(fā)熱引起）。

隨著大量新能源汽車的銷售，大量的車企出現(xiàn)，技術(shù)良莠不齊，電池出現(xiàn)各種自然現(xiàn)象，其中大部分原因是電池?zé)o法得到有效的均衡，因此需要進(jìn)行電池均衡系統(tǒng)的優(yōu)化。

1 電池管理系統(tǒng)

1.1 電池管理系統(tǒng)定義

電池管理系統(tǒng)是以某種方式對(duì)電池進(jìn)行管理和控制的產(chǎn)品或技術(shù)。也就是說電池管理系統(tǒng)包含如下功能：

（1）電池保護(hù)；（2）電池狀態(tài)估計(jì)；（3）電池性能最大化；（4）對(duì)用戶或外部設(shè)備進(jìn)行反饋。

1.2 鋰離子電池管理系統(tǒng)的功能

電池管理系統(tǒng)在鋰離子電池充電過程中十分必要。當(dāng)任意一個(gè)單體電池達(dá)到最大充電電壓時(shí)，電池管理系統(tǒng)必須關(guān)斷充電器。電池管理系統(tǒng)可以通過均衡電池組使其容量最大化。其中均衡方式又分為主動(dòng)均衡與被動(dòng)均衡，主動(dòng)均衡主要是將各電池不同的電量通過DC/DC雙向有源電路實(shí)現(xiàn)，被動(dòng)均衡主要消耗電量達(dá)到要求。電池管理系統(tǒng)在鋰離子電池充電過程中十分必要。

2 動(dòng)力電池均衡研究

2.1 電池均衡

由于單體電池間差異以及不同的充電歷史，電池中的單體電池一般會(huì)產(chǎn)生以下4種不一致性：荷電狀態(tài)（SOC）、自放電（自放電電流）、內(nèi)阻、容量。一般情況下，電池內(nèi)部單體電池的一致性可以根據(jù)以上4個(gè)參數(shù)的匹配情況來衡量。電池均衡是指將單體電池間的SOC盡可能地拉近，從而使電池容量最大化。電池均衡僅強(qiáng)調(diào)一個(gè)重點(diǎn)，即SOC一致性。為此還會(huì)對(duì)第二個(gè)參數(shù)“自放電” 進(jìn)行補(bǔ)償。電池均衡工作可能還會(huì)在一定程度上受到第三個(gè)參數(shù)“單體電池內(nèi)阻”的阻礙。電池均衡工作中并未考慮的是第4個(gè)參數(shù)——容量。

2.2 動(dòng)力電池平衡措施的應(yīng)用

在保證單體電池不會(huì)過充的前提下，留出更多的可充電空間。平衡程序使得所有單體電池都有相同的荷電狀態(tài)（SOC）。由電池管理系統(tǒng)（BMS）實(shí)施，平衡可以為主動(dòng)方式（能量傳遞于單體之間）或被動(dòng)方式（能量通過釋放熱能而有所損失）。如果不加平衡，因流經(jīng)電池組所有串聯(lián)單體（或并聯(lián)模塊）的電流相同，所以放電深度（DOD）的變化也在同一速率。BMS通過對(duì)具有不同于電池組電流值的單體或模塊處理來平衡電池組，方式有以下幾種：

（1）從充電最多的單體電池中取電，為充電電流留出空間，使其他單體電池充電更加充分。

（2）旁路一些或所有的充電較充分單體電池的充電電流，使得充電電流可以進(jìn)一步對(duì)其他單體電池進(jìn)行充電。

（3）使得充裕電流對(duì)充電最少的單體電池充電。

2.3 動(dòng)力電池均衡算法

（1）基于電壓法，基于電壓的均衡算法最簡(jiǎn)單，該方法要求相同電壓的單體電池具有同樣的S0C，但只有在僅關(guān)注開路電壓時(shí)這才是對(duì)的，而開路電壓和端電壓通常不同。具體算法：充電時(shí)，將電荷從電壓值最高的單體轉(zhuǎn)移走。這種方法的問題在于，由于電池內(nèi)阻引起的電壓降，而導(dǎo)致充電時(shí)的端電壓比內(nèi)部電壓要高，而不同單體電池的內(nèi)阻不盡相同。即使所有單體電池端電壓在充電期間都相同，其等效開路電壓也將不同（由于內(nèi)阻不同），因此導(dǎo)致SOC水平不同。

這種算法的局限性是可以克服的。如果BMS能獲取每個(gè)單體電池的內(nèi)阻值，則可以通過電流與電阻的乘積計(jì)算電壓降，繼而與端電壓做差計(jì)算開路電壓。BMS可以分時(shí)段地停止充電，允許單體電池端電壓降至開路電壓，并直接測(cè)量開路電壓。

（2）基于末時(shí)電壓法，基于末時(shí)電壓的均衡方法是最常用的算法。算法運(yùn)行效果良好但是比較耗費(fèi)時(shí)間。該方法與上述基于電壓的方法類似，不同的是該方法不是工作于全過程，而是只工作在充電末期（在頂端）。該算法為：當(dāng)某單體電池電壓超過門檻值時(shí)減少其能量，這種方式的優(yōu)勢(shì)在于能夠避免電壓-SOC曲線中段的平臺(tái)期，在平臺(tái)期內(nèi)電壓無(wú)法作為辨識(shí)SOC的參數(shù)，而在充電末端電壓對(duì)SOC的影響較為顯著。末時(shí)電壓算法的問題在于當(dāng)單體電池電壓很高時(shí)，留給啟動(dòng)均衡措施的時(shí)間不多。例如，電動(dòng)汽車每天只有2h的充電時(shí)間，留給均衡措施的時(shí)間只是充電末尾的10min。解決此問題的方法是通過采用大電流進(jìn)行均衡以縮短操作時(shí)間。末時(shí)電壓算法的另一個(gè)問題是每個(gè)單體電池的端電壓都比開路電壓高，這是由于內(nèi)阻產(chǎn)生的電壓降。所以，該方法由于是令內(nèi)阻最高的單體電池放電，而不是SOC水平最高的單體電池放電而可能造成適得其反，從而增加了不平衡度。以下幾種方案可以解決其局限性：

①如果BMS掌握每個(gè)單體電池的電阻信息，則可以計(jì)算其開路電壓（計(jì)算 IR電壓降），繼而估算SOC。

②BMS在均衡時(shí)可以停止充電，這樣將不再存在由于單體內(nèi)阻不同而引起的IR電壓降所導(dǎo)致的誤差，而只需考慮單體自身電壓。

③BMS可以控制充電器減少充電電流，以減小這些誤差。

④BMS能夠每幾分鐘開/關(guān)充電器，代價(jià)則是短時(shí)全額充電電流穿插了長(zhǎng)時(shí)間的零電流，使得均衡措施不受這些誤差影響[例如，10A充電電流，占空比為1：100 （例如打開10s，關(guān)閉1000s）平均值為100mA， 99%的時(shí)間都處于無(wú)誤差的平衡中]。

（3）基于SOC歷史情況，這是最復(fù)雜的平滑算法。其效果較好，但需要借助計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，因?yàn)樗枰烂總€(gè)單體電池的SOC歷史數(shù)據(jù)，繼而計(jì)算每個(gè)單體電池的平衡時(shí)間需要多長(zhǎng)。

相較于前面的兩種方法，該方法具有所有優(yōu)點(diǎn)，幾乎沒有局限性?；诒ＷC所有時(shí)段都能平衡，在給定均衡電流的情況下，這種方法比末時(shí)電壓法計(jì)算速度快。反之，在給定最大平衡時(shí)間時(shí)，可以以較小的均衡電流運(yùn)行。較之于末時(shí)電壓法，這種方法可以提升平均均衡電流，經(jīng)驗(yàn)值是1～5倍。除此之外，BMS的硬件需承受更大的均衡電流。

以每天行駛4h，夜間充電12h（充電8h，末端電壓法均衡4h）的電動(dòng)汽車為例。假設(shè)BMS能夠以100mA進(jìn)行均衡。而后，平衡電流變?yōu)?00mA/（4h/ 24h）=17mA。如果電池需要10mA的平均均衡電流，BMS將會(huì)維持電池平衡。然而，如果電池需要50mA的平均均衡電流，BMS將達(dá)不到要求。一種提高均衡電流的方式是提高BMS的最大允許電流（例如，100mA提高至1A）。另一種方式是提高平衡的允許時(shí)間。如果BMS使用SOC歷史情況算法來獲得單體需要平衡的時(shí)間，則可以在任意時(shí)段對(duì)其進(jìn)行平衡（概算例中是16h），平均值是 100mA/（16h/24h）=67mA，這個(gè)數(shù)值是足夠的。

2.4 動(dòng)力電池均衡電流要求

總體均衡：對(duì)制造過程中出現(xiàn)電量不一致的單體電池或電池信息采集器（BIC）均衡功能失效的電池模組進(jìn)行均衡；維護(hù)均衡：對(duì)動(dòng)力電池組內(nèi)單體電池間的電量進(jìn)行均衡。電池組在開始即應(yīng)該能夠均衡，這樣一來BMS就不必提供內(nèi)部的總體平衡。這一點(diǎn)通過以下兩點(diǎn)即可實(shí)現(xiàn)：

（1）制造之前的均衡：從滿充的單體電池開始。

（2）制造之后的均衡：當(dāng)電池組開放時(shí)，利用電源充滿每一個(gè)單體電池的渠道。

那樣電池組開始均衡，并且所有BMS需要做的就是保持均衡（維護(hù)均衡）。 如果電池組已經(jīng)制造出來或者已經(jīng)修好，并且未考慮單體電池的SOC， BMS將不得不做總體均衡。

2.4.1 總體均衡

如果BMS在合理的時(shí)間內(nèi)可以對(duì)大電池組進(jìn)行總體均衡，它將使用相對(duì)較高的均衡電流。對(duì)完全失去平衡的電池組進(jìn)行總體均衡的最長(zhǎng)時(shí)間 取決于其容量，以及BMS能夠提供的均衡電流，即總體均衡時(shí)間=電池組容量/均衡電流。

2.4.2 維護(hù)均衡

如果電池開始均衡，保持平衡狀態(tài)比總體均衡要簡(jiǎn)單得多。所需要的就是補(bǔ)償在單體電池中的泄漏（自放電）。例如，如果所有單體電池的漏電流程度都相同，那么則無(wú)須均衡。所有單體電池的SOC在同一時(shí)刻相同，電池將保持平衡。

2.4.3 結(jié)論

對(duì)均衡的討論總結(jié)如下：

（1）均衡補(bǔ)償是針對(duì)單體電池SOC，而不是容量的不平衡（容量補(bǔ)償屬于再 平衡范疇的工作）。（2）對(duì)于平衡的電池可以支持最大限度地充電，只受到單體電池的最小容量限制（或者在一些極端的情況下，受限于最高單體電池電阻）。（3）電池在制造階段就應(yīng)該注意均衡問題，如此不再需要BMS進(jìn)行整體平衡。（4）如果電池在制造廠內(nèi)已經(jīng)過均衡，那么BMS只需要在正常運(yùn)行期間提供充裕的均衡電流來補(bǔ)償單體電池間不同的自放電電流即可。（5）沒有理由指定BMS在更糟的情況下提供更大的均衡電流。（6）制定BMS為不平衡的電池提供整體平衡是不經(jīng)濟(jì)的也是沒有工程意義的，因?yàn)檫@種情形在壽命周期內(nèi)只出現(xiàn)一次。如此設(shè)計(jì)，相比于在其壽命周期內(nèi)99%情況下出于對(duì)電池進(jìn)行預(yù)平衡的工作狀態(tài)而言，BMS將變得更昂貴，更笨重，并會(huì)產(chǎn)生更多熱量。（7）對(duì)于大部分鋰離子電池應(yīng)用而言，BMS提供100mA的均衡電流已足夠，使用基于SOC歷史情況的均衡算法將增加BMS的均衡容量2～5倍。

2.5 主動(dòng)與被動(dòng)均衡的對(duì)比

均衡包括以下兩種：

（1）被動(dòng)均衡：能量從充電相對(duì)最滿的單體電池移走，以散熱形式消耗。

（2）主動(dòng)均衡：能量在單體電池間傳遞，因此不造成浪費(fèi)。

被動(dòng)均衡的劣勢(shì)在于：①浪費(fèi)能量，消耗成本；②高均衡電流水平，能量轉(zhuǎn)換為熱并造成損耗，影響電池組的運(yùn)行。

初步判斷，主動(dòng)平衡更好因其不浪費(fèi)能量。而事實(shí)上主動(dòng)平衡也有如下缺點(diǎn)：①比被動(dòng)均衡所需的部件更多，成本較高，可靠性稍差，占用空間更多；②在熱備用期間造成的能量損失可能比進(jìn)行等效均衡耗費(fèi)的能量更多。

3 動(dòng)力電池均衡效益分析

針對(duì)井噴式新能源汽車蓬勃發(fā)展，部分車輛無(wú)法進(jìn)行主被動(dòng)均衡的情況，對(duì)電池均衡產(chǎn)業(yè)進(jìn)行技術(shù)融合發(fā)展，減少因?yàn)榫鈱?dǎo)致的著火現(xiàn)象。

（1）充電均衡處理（單體電壓低），放電均衡處理（單體電壓高）。

（2）設(shè)計(jì)安全提醒系統(tǒng)，主要問題在于對(duì)各種故障的識(shí)別。預(yù)計(jì)效果：充電均衡時(shí)電瓶過熱時(shí)，自動(dòng)充電系統(tǒng)故障時(shí)，或其他故障時(shí)給予一定的警報(bào)提醒，見下圖。

被動(dòng)均衡一般是采用電阻放電的方式，對(duì)電壓較高的電池進(jìn)行放電，通過熱量的形式釋放電量。整個(gè)系統(tǒng)的電量受制于容量最少的電池。充電過程中，電池管理器有充電截止電壓來保護(hù)鋰電池，當(dāng)某一串電池達(dá)到充電截止電壓值后，BMS會(huì)切斷整個(gè)回路，停止充電。如果充電時(shí)的電壓超過了這個(gè)值，也就是統(tǒng)稱的“過充”，鋰電池就有可能燃燒或者爆炸。因此，BMS一般都具備過充保護(hù)功能，來防止電池過充。

主動(dòng)均衡采用DC/DC雙向有源均衡電路，均衡效率較高；充電、放電和靜態(tài)過程中都做了均衡；均衡電流大，均衡速度較快。同時(shí)存在兩大問題：一是技術(shù)復(fù)雜，成本較高，實(shí)現(xiàn)困難；二是均衡電路頻繁切換，對(duì)電池造成的傷害大，使電池的壽命受到影響。目前主動(dòng)均衡電流可達(dá)到5A。

4 結(jié)束語(yǔ)

電池均衡系統(tǒng)能運(yùn)行平穩(wěn)離不開優(yōu)秀的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，同樣對(duì)于優(yōu)化均衡效果，均衡策略是不可或缺的。均衡變量是均衡控制策略研究的基礎(chǔ)，是實(shí)現(xiàn)電池能量傳遞的基石，主要有電壓、容量以及荷電狀態(tài)。

目前的均衡方案大部分存在效率低、均衡精度差、效果不佳的情況，其難點(diǎn)因?yàn)槭请姵厥鞘芏嘁赜绊懙姆蔷€性個(gè)體。均衡指標(biāo)不僅可以選擇電壓，還可選擇荷電狀態(tài)、容量等其他指標(biāo)，均衡變量的選取是不具備唯一性的。傳統(tǒng)均衡電路開關(guān)器件多、精準(zhǔn)控制難度較大，應(yīng)用于有較多單體的電池組時(shí)，便會(huì)出現(xiàn)擴(kuò)展性差、工作時(shí)間長(zhǎng)、可靠性低等問題。因此，如何通過優(yōu)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使用恰當(dāng)?shù)目刂撇呗裕_(dá)到優(yōu)化電池組單體電池均衡的目的，是目前均衡技術(shù)急需解決的問題。

基金項(xiàng)目：2022年度福建省中青年教師教育科研項(xiàng)目立項(xiàng)課題《動(dòng)力電池均衡控制邏輯分析及應(yīng)用研究》（課題編號(hào)JAT220805，主持人：王艷蘋）。

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