动力电池系统均衡功能详解

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1、动力电池系统均衡功能详解1. 简介动力电池均衡主要用于对电池组单体电压的采集，并进行单体间的均衡充电使组中 各电池达到均衡一致的状态。目前主要有主动均衡和被动均衡两种均衡方式。也可称之 为无损均衡和有损均衡。主动均衡和被动均衡都是为了消除电池组的不一致性，但两者 的实现原理可谓是截然相反。因为也有人把依靠算法由BMS主动发起的均衡都定义为主 动均衡，为避免歧义，这里把凡是使用电阻耗散能量的均衡都称为被动均衡，凡是通过 能量转移实现的均衡都称为主动均衡。2. 不一致性2.1第一类不一致性在制造过程中，由于工艺水平使电池极板厚度、微孔率、活性物质的活化程度等存 在微小差别，使单体产生不一致性，这种

2、不一致性称为第一类不一致性。这种电池内部 结构上的不一致性就会使同一批次出厂的同一型号电池的电压、容量、内阻等不可能完 全一致，同一批次电池容量有一定的离散性。如：假设#1, #2和#3三支100AH串联电池的实际容量分别为95AH, 100AH, 105AH, 即存在第一类不一致性，容量差异为10AH；三支电池的初始电量为均为60AH,此情况 下纯粹由第一类不一致性导致的SOC最大差异将为9% （充放电末端达到最大值），SOC 最小差异为5%左右。#14*310AH165AH95AH图1图2 充电时#1电池先达到截至电压,充电终止;放电时三支电池几乎同时达到截至电压, 放电终止；电池组的充放

3、电能力受容量最小单体(# 1)制约，实际只有95AH。 2.2第二类不一致性第二类不一致性：纯粹由各个单体电池初始电量差异导致的不一致性。第二类不一 致性不依赖于第一类不一致性存在。电池组在实际应用过程中因为内阻差异、自放电率 差异等原因，第二类不一致性会从无到有，从弱到强。假设#1，#2和 #3三支串联电池的实际容量均为1 00AH ，即不存在第一类不一致性；三支电池的当前电量为55AH, 60AH, 65AH由此导致的SOC差异为10%，电量最大差异10AH。*1100AH109AH100AH图3图4充电时#3电池先达到截至电压,充电终止;放电时#1 先达到截至电压,放电终止;电池的实际容

4、量是100AH,然而充放电能力实际只有90AH。2.3 不一致性的影响单体电池的不一致性对动力电池组使用寿命的影响分为电压的不一致性、容量的不 一致性以及内阻的不一致性。电压的不一致性较大，会造成低压电池与正常电池一起使用时成为电池组的负载。 因为当并联的两节电池中存在低压电池，那么会发生互充电现象，其他电池将会给该电 池充电。这种连接方式会使得低压电池的容量小幅度增加而高压电池容量大幅度减少， 能量损耗在互充电上达不到理想的对外输出。初始容量不一致，在使用过程尽管可以通过电池单体单独充电方式来平衡单体电池 初始容量的不同。但电动汽车的连续充放电循环过程使得这种不一致性在某种程度上会 放大，容

5、量随循环的衰减速度不同，随着电池循环次数的增加，容量的差异就会越来越 大。这样会使得单体电池的容量加剧衰减带动整个电池组的容量衰减。内阻的不一致性使得单体电池在电池组内的电压电流分配不均，局部出现过压充电 或欠压放电。内阻的不一致性还会使单体电池在放电过程中热量的损失不等，内阻越大 则温度升高的速度越快，有可能最终造成热失控。3. 均衡方案详解BMS 可以通过均衡功能解决电池组使用过程中存在的第一类不一致性和第二类不一 致性。均衡分为主动均衡和被动均衡。被动均衡以电阻能耗法为代表，该方法可以实现充 电均衡。主动均衡DC/DC变换器为代表，基于此主动均衡又可以分为以下四种方式，每 种方式均可以实

6、现充电均衡和放电均衡 ： 电池组向单体均衡（放电均衡效果尤佳）； 单体向电池组均衡（充电均衡效果尤佳）； 电池组与单体之间双向均衡； 单体与单体之间均衡。R3cz#1r十R2 S1I叱（/ DC/DCDC/DC3.1 被动均衡被动均衡先于主动均衡出现，因为电路简单，成本低廉至今仍被广泛使用。其原理 是依照电池的电量和电压呈正相关，根据单串电池电压数据，将高电压的电池能量通过 电阻放电以与低电压电池的电量保持相等状态，也有以最高电压为判据，比如三元锂电 最高4.2V，凡是超过4.2V就开始放电均衡。Control图 5 被动均衡原理图如图5所示，被动均衡原理图中主要有开关矩阵和均衡电阻组成，开关

7、矩阵由专门 的IC芯片控制，当某块单体电压超过充电阈值，IC芯片控制开关闭合，进行均衡，这 种旁路分流均衡法对每一节电池都接上一个旁路。在浮充阶段，将那些已完全充满的单 体的旁路接通已进行分流。这种系统对那些充电率已知的系统尤其适用。旁路电阻R的 大小要刚好能小，则旁路电阻则可对电池单体进行放电。电阻放电的方法并将这个功能 加入到 IC 中（因为这个放电控制的功能容易集成进芯片里 ），现在广泛应用的 TIMAXIMLINER均有此类芯片在产，有的是将开关驱动做到芯片里，有的甚至试图将开 关也做进了芯片里。从被动均衡原理及示意图中我们可以看出，如果电池组比作木桶，串接的电池就是 组成木桶的板，电

8、量低的电池是短板，电量高的就是长板，被动均衡做的工作就是“截 长不补短”。电量高的电池中的能量变成热耗散掉，电能使用效率低。不仅如此，因为 将电能转变成热量耗散，带来了两难的问题，这就是如果均衡电流大，热量就多，最后 如何散热成为问题；如果均衡电流小，那么在大容量电池组中、电量差别大的情况下所 起到的电量平衡作用效率很低，要达到平衡需要很长时间，在应用中有种隔靴搔痒的感 觉。权衡利弊，所以现在被动均衡的电流一般都在百毫安(100mA)级别。3.2 主动均衡主动均衡是把高能量电池中的能量转移到低能量电池中，相当于对木板“截长补 短”。主动均衡是利用一个活动的分流元件或电压或者电流转换器件来将能量

9、从一节单 体转移到另一节单体。这些器件可以是模拟的，也可以是数字的。两种主要的方法是旁 路分流和能量转换。常见的主动均衡方案有飞度电容的方案(因为适用串数低，转移有 局限性而未能成为主流)，还有变压器的方案，变压器方案中又有各种拓扑结构。3.2.1 穿梭充电均衡穿梭充电均衡原理如图所示，电子控制器件接通相应开关以使电容C通过单体B1 进行充电，充满后，开关断开。然后合上相应开关以接通电容C和单体B2。由于和存在 电压上的差异，于是电量便转送到了 B2。用同样的方式，电容C分别接通B3、B4 Bn、B1 如此循环。高电量的单体将对C进行充电，而低电量的单体将从C获得电量。 用这种方法，高电量单体

10、上的部分电量将转移到低电量的单体上。这种方法所需的唯一 电子控制器件是一个固定的开关序列，以接通和断开相应开关。图 6 主动均衡3.2.2 能量转换均衡 能量转换进行单体均衡是采用电感线圈或变压器来将能量从一节或一组电池转移 到另一节或一组电池。两种积极的能量转换方法是开关变压器方法和共享变压器方法。开关变压器方法共享一个与前面快速电容器相同的开关拓扑。整个电池组的电流I 流入变压器T,变压器的输出经过二极管D校正后流入单体Bn。这由开关S的设置来决 定，此外还需要一个电子控制器件来选择目标电池和设置开关S。B1比B3Bn图 7 能量转移均衡 1图 9 能量转移均衡 34. 均衡功能选择对于锂

11、电池而言，BMS需要均衡功能，但是由于技术和成本等原因并非所有BMS都 具备均衡。选择均衡要看两个方面：均衡形式（充电均衡、放电均衡还是充放电均衡？） 和均衡能力（多大的均衡电流？）。如果只是解决第二类不一致性问题，仅仅是充电均 衡或者放电均衡就可以了，均衡电流不需要非常大（1A左右即可）；对于第一类不一致 性，必须同时具备充电均衡和放电均衡才能改善，并且要求大电流均衡，均衡电流的值 与具体的不一致性程度有关。5. 总结 均衡不能对性能下降的电池进行修复，只能缓解不一致性造成的影响； 电池分选不可替代，解决不一致性依赖于均衡的原理及均衡能力，均衡只能起到调 理作用，“治标不治本”； 纯粹的充电均衡或者放电均衡只能解决第二类不一致性问题，且依赖于均衡能力， 对电池自身容量差异（第一类不一致性）毫无办法，只有同时具备充放电均衡才能 改善第一类不一致性； 均衡能够提升电池使用安全性，理解比较片面、狭隘，电池使用的安全性不依赖于 均衡。