一文读懂动力电池BMS均衡功能

一路上

前言

生产制造和使用过程的差异性，造成了动力电池单体天然就存在着不一致性。不一致性主要表现在单体容量、内阻、自放电率、充放电效率等方面。单体的不一致，传导至动力电池包，必然的带来了动力电池包容量的损失，进而造成寿命的下降。有研究表明，单体电芯20%的容量差异，会带来电池包40%的容量损失。

电池单体的不一致，会随着时间的推移，在温度以及振动条件等随机因素的影响下进一步恶化，使得参数向着离散化方向，义无反顾打马而去。如同这个世界永远向着熵增的方向前进一样。趋势无法逆转，但可以干预，降低它的恶化速率。方法之一就是通过电池管理系统对电芯实施均衡。

一、均衡的触发

业内早已认识到均衡的重要性，关于电池均衡的研究由来已久，得到的方法结论也多种多样。

1.1 触发参数

均衡面对的第一个问题，是什么条件下起动系统均衡功能。常见的是两条路线，一条是以单体端电压为监督目标，当单体压差进入一定范围，均衡开始发挥作用；另一条路线是以SOC为目标，认为SOC才是真正反映电芯需求的参数，当单体SOC与平均SOC的差值达到一定值，均衡过程被触发。

实际上，SOC是一个更综合的参数，如果计算的合理准确，可以覆盖单体电压的影响。但是如果把SOC作为目标参数，则系统设计必须包含采集计算每只串联电芯SOC相关数据。

1.2 什么状态可以均衡

另一个问题，到底在什么过程中实施均衡，是不论什么过程，只要达到了参数的阈值就开始均衡，还是人为规定，均衡只发生在充电过程、放电过程，还是电池没有工作任务的静置过程。

这个问题的观点不是非常一致，各家管理系统有不同的设置。我想，均衡过程应该可以设计在任何过程中，但需要考虑是否对电池包最有利。

充电末尾均衡，在最高单体电压触及充电截止电压后，系统启动均衡功能，放掉电压最高单体部分电量，使得系统还可以进一步充入更多电量，或者让高电量电芯给最低电量电芯充电，理想状态是全部电芯同时到达截止电压。

在放电过程末尾均衡，当单体最低电压已经触及放电截止电压，系统启动均衡，最低电压消失后，系统还可以再运行一段距离。

这个过程中会有两个问题，一方面，只有系统配备主动均衡功能，才可以实现继续行驶一段距离的目的，如果只有被动均衡，放掉高电量，则只能发挥去除电芯累积能量差距的目的；进而，另一个问题，即使在放电末尾，全部电芯回到了同一个起跑线，但由于电芯之间的容量差异，到达充电结束时刻，充电均衡可能还是需要进行。

在车辆运行过程中均衡，这里的一个问题是，由于电流大小不同，系统内阻大小不同的影响，动态的SOC和电芯电压往往不容易得到准确值，这对运行过程中均衡可能会非常不利。

二、均衡策略

2.1概念

什么是被动均衡：

被动均衡，运用电阻器，将高电压或者高荷电量电芯的能量消耗掉，以达到减小不同电芯之间差距的目的，是一种能量的消耗。

什么是主动均衡：

主动均衡，运用储能器件等，将荷载较多能量的电芯部分能量转移到能量较少的电芯上去，是能量的转移。

有专家认为，上面的两个表述应该对应于耗散型均衡和非耗散型均衡。而主动还是被动，应该取决于触发均衡过程的事件，系统到达那个状态不得不进行的就是被动。如果是人为设定，在可以不均衡的时候设置了均衡程序，才称为主动均衡。

例如，放电放到最后，电压最低的电芯已经到达了放电截止电压，而其他电芯还存有电量。这时候，系统为了把尽量多的电都放掉，于是把高能量电芯的电部分的转移给低能量的电芯，使得放电过程又进行下去，直到把全部电量放干净，这是被动均衡过程。如果在放电至电量还有40%的时候，系统预计到，在放电截止的时候会出现不均衡，于是起动均衡过程，这才是主动均衡。

最近看到了这部分内容，放在这里供参考。

2.2 均衡控制策略

当前的均衡控制策略中，有以单体电压为控制目标参数的，也有人提出应该用SOC作为均衡控制目标参数。暂且搁置两个控制目标孰优孰略的讨论，举例说明均衡策略的一般形式。

以单体电压为例。设定均衡控制的触发阈值，比如极值与平均值的差值达到50mV起动均衡过程，5mV结束均衡。管理系统按照固定的采集周期采集每一串单体端电压，先计算平均值，再计算每只电芯电压与电压均值的差值，电芯编号按照差值大小排队。差值与设定阈值比较，若最大的差值在阈值范围内，触发均衡程序。后续策略与具体均衡实现形式有关。

三、均衡硬件概述

3.1 基于变压器

变压器匝数多的原边并联在整个电池组的总正总负上，匝数少的副边通过开关的切换可以并联在任意一只电芯上，变压器通过互感作用，使得能量在原边与副边之间的传递。

均衡过程大体是这样的。副边先并联在高能量电芯上，能量传递到原边，形成原边的端电压，加载在整个电池组上，给整组电池组充电；副边并联在低能量电芯上，通过变比，得到一个高于低能量电芯端电压的电压，给电芯充电。

3.2 基于双向DCDC

有文献提出的做法是，将每只电池的SOC与平均SOC做差，按差值大小将电池排队，按照一帮一一对红的原则，差值正的最大与负的绝对值最大结成对子，通过低压DCDC，电压高的电芯给电压低的充电。以此类推，遍历全部差值超过某个限定值的电芯，直到遇到没有配组必要的电池为止。

3.3 基于电感

基本想法是把能量高的电芯能量暂存在电感中，待电路开关转换位置，电感与低能量电芯连接成回路，再将电感中的能量放入低能量电芯中。

一个具体的例子。比较相邻两只电池A和B的端电压， A高B低；均衡电路首先把电感与A短时间接通，将部分能量充入电感，断开；再使电感 与B形成回路，电感给B充电。能量只能通过电感在相邻的电芯之间传递，但一串电芯的第一只和最后一只也可以通过这种方式实现能量转移，因而可以形成一个能量传递的闭环。在多次比较传递以后，理论上系统内的单体电压可以实现均衡。

3.4 基于电容

与应用电感的基本想法类似，同样是设法把高能量电芯部分能量暂存在电容里，通过配置开关电路，将能量转移给低能量电芯。

电容的应用一般有三种方式，多电容均衡，单电容均衡和双层电容均衡。

多电容均衡和单电容均衡原理类似，区别在于，多电容电路，电容只在左近的两只电池之间切换，而单电容均衡，是用开关的不同通断组合，使得电容可以并联在任意一只电芯的两端。

将一只电容并联在高能量电芯的两端，部分能量，以充电的形式转移到电容上，待到电芯与电容电压平衡，开关断开，并将电容转接到低能量电芯的两端，待到电芯与电容电压平衡，再去重复刚才的过程。电芯自身具有内阻，给电芯充电的电源电势必须略高于电芯。经过几次转移，电容最后与低能量电芯并联时，发现自己不能再给电芯充电了，压差不够了。此时均衡过程宣告结束。

双层电容均衡，是在多电容的基础上增加一只并联在整个串联电池组两端的电容，使得一串电芯的第一节和最后一节的能量转移成为可能，也提高了均衡效率。

3.5 基于电阻

给电芯两端并联电阻，让电阻消耗掉部分电池能量，也就是前面说到的被动均衡采用的方式。

并联电阻有两种形式，一种是固定连接，电阻长期并联在电池两端，电芯电压高时，通过电阻的电流大，消耗的电量多，电池电压低时，电阻消耗电量小。通过电阻这种压敏特性，实现电池端电压的均衡。这是个理论上可行的方法，实际很少使用。

另一种并联电阻方法，是通过开关回路将电阻并联在电芯两端。开关由管理系统信号触发，当系统判断哪个电芯电压或者SOC高时，连接其并联电阻，消耗其能量。

四、均衡的局限性

被动均衡，电流无法完全按照实际需求去做，因为通过电阻消耗的能量，转化成热量，对电池管理系统以及电池包都会产生不良影响；

主动均衡，需要配置相应电路和储能器件，体积大，成本上升，这两个条件一起决定了主动均衡不容易推广应用。

电池包的每个充电放电过程，都伴随着一部分电池局部的附加充放过程，无形中增加了电池的循环次数，对于本身需要充放电才能实现均衡的电芯，额外的工作量是否造成其超越一般电芯的老化，进而造成与其他电芯更大的性能差距，还没有研究做出过明确的判断。