鉅大LARGE | 點擊量：645次 | 2023年02月21日
動力鋰離子電池BMS均衡功能的介紹
生產(chǎn)制造和使用過程的差異性，造成了動力鋰電池單體天然就存在著不一致性。不一致性重要表現(xiàn)在單體容量、內(nèi)阻、自放電率、充放電效率等方面。單體的不一致，傳導至動力鋰電池包，必然的帶來了動力鋰電池包容量的損失，進而造成壽命的下降。有研究表明，單體電芯20%的容量差異，會帶來電池包40%的容量損失。
電池單體的不一致，會隨著時間的推移，在溫度以及振動條件等隨機因素的影響下進一步惡化，使得參數(shù)向著離散化方向，義無反顧打馬而去。如同這個世界永遠向著熵增的方向前進相同。趨勢無法逆轉(zhuǎn)，但可以干預，降低它的惡化速率。方法之一就是通過電池管理系統(tǒng)對電芯執(zhí)行均衡。
1均衡的觸發(fā)
業(yè)內(nèi)早已認識到均衡的重要性，有關(guān)電池均衡的研究由來已久，得到的方法結(jié)論也多種多樣。
1.1觸發(fā)參數(shù)
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
均衡面對的第一個問題，是什么條件下起動系統(tǒng)均衡功能。常見的是兩條路線，一條是以單體端電壓為監(jiān)督目標，當單體壓差進入一定范圍，均衡開始發(fā)揮用途；另一條路線是以SOC為目標，認為SOC才是真正反映電芯需求的參數(shù)，當單體SOC與平均SOC的差值達到一定值，均衡過程被觸發(fā)。
實際上，SOC是一個更綜合的參數(shù)，假如計算的合理準確，可以覆蓋單體電壓的影響。但是假如把SOC作為目標參數(shù)，則系統(tǒng)設(shè)計必須包含采集計算每只串聯(lián)電芯SOC相關(guān)數(shù)據(jù)。
1.2什么狀態(tài)可以均衡
另一個問題，到底在什么過程中執(zhí)行均衡，是不論什么過程，只要達到了參數(shù)的閾值就開始均衡，還是人為規(guī)定，均衡只發(fā)生在充電過程、放電過程，還是電池沒有工作任務(wù)的靜置過程。
這個問題的觀點不是非常一致，各家管理系統(tǒng)有不同的設(shè)置。我想，均衡過程應(yīng)該可以設(shè)計在任何過程中，但要考慮是否對電池包最有利。
充電末尾均衡，在最高單體電壓觸及充電截止電壓后，系統(tǒng)啟動均衡功能，放掉電壓最高單體部分電量，使得系統(tǒng)還可以進一步充入更多電量，或者讓高電量電芯給最低電量電芯充電，理想狀態(tài)是全部電芯同時到達截止電壓。
在放電過程末尾均衡，當單體最低電壓已經(jīng)觸及放電截止電壓，系統(tǒng)啟動均衡，最低電壓消失后，系統(tǒng)還可以再運行一段距離。
這個過程中會有兩個問題，一方面，只有系統(tǒng)配備主動均衡功能，才可以實現(xiàn)繼續(xù)行駛一段距離的目的，假如只有被動均衡，放掉高電量，則只能發(fā)揮去除電芯累積能量差距的目的；進而，另一個問題，即使在放電末尾，全部電芯回到了同一個起跑線，但由于電芯之間的容量差異，到達充電結(jié)束時刻，充電均衡可能還是要進行。
在車輛運行過程中均衡，這里的一個問題是，由于電流大小不同，系統(tǒng)內(nèi)阻大小不同的影響，動態(tài)的SOC和電芯電壓往往不容易得到準確值，這對運行過程中均衡可能會非常不利。
2均衡策略
2.1概念
什么是被動均衡
被動均衡，運用電阻器，將高電壓或者高荷電量電芯的能量消耗掉，以達到減小不同電芯之間差距的目的，是一種能量的消耗。
什么是主動均衡
主動均衡，運用儲能器件等，將荷載較多能量的電芯部分能量轉(zhuǎn)移到能量較少的電芯上去，是能量的轉(zhuǎn)移。
有專家認為，上面的兩個表述應(yīng)該對應(yīng)于耗散型均衡和非耗散型均衡。而主動還是被動，應(yīng)該取決于觸發(fā)均衡過程的事件，系統(tǒng)到達那個狀態(tài)不得不進行的就是被動。假如是人為設(shè)定，在可以不均衡的時候設(shè)置了均衡程序，才稱為主動均衡。
例如，放電放到最后，電壓最低的電芯已經(jīng)到達了放電截止電壓，而其他電芯還存有電量。這時候，系統(tǒng)為了把盡量多的電都放掉，于是把高能量電芯的電部分的轉(zhuǎn)移給低能量的電芯，使得放電過程又進行下去，直到把全部電量放干凈，這是被動均衡過程。假如在放電至電量還有40%的時候，系統(tǒng)預計到，在放電截止的時候會出現(xiàn)不均衡，于是起動均衡過程，這才是主動均衡。
最近看到了這部分內(nèi)容，放在這里供參考。
2.2均衡控制策略
當前的均衡控制策略中，有以單體電壓為控制目標參數(shù)的，也有人提出應(yīng)該用SOC作為均衡控制目標參數(shù)。暫且擱置兩個控制目標孰優(yōu)孰略的討論，舉例說明均衡策略的一般形式。
以單體電壓為例。設(shè)定均衡控制的觸發(fā)閾值，比如極值與平均值的差值達到50mV起動均衡過程，5mV結(jié)束均衡。管理系統(tǒng)按照固定的采集周期采集每一串單體端電壓，先計算平均值，再計算每只電芯電壓與電壓均值的差值，電芯編號按照差值大小排隊。差值與設(shè)定閾值比較，若最大的差值在閾值范圍內(nèi)，觸發(fā)均衡程序。后續(xù)策略與具體均衡實現(xiàn)形式有關(guān)。
3均衡硬件概述
3.1基于變壓器
變壓器匝數(shù)多的原邊并聯(lián)在整個電池組的總正總負上，匝數(shù)少的副邊通過開關(guān)的切換可以并聯(lián)在任意一只電芯上，變壓器通過互感用途，使得能量在原邊與副邊之間的傳遞。
均衡過程大體是這樣的。副邊先并聯(lián)在高能量電芯上，能量傳遞到原邊，形成原邊的端電壓，加載在整個電池組上，給整組電池組充電；副邊并聯(lián)在低能量電芯上，通過變比，得到一個高于低能量電芯端電壓的電壓，給電芯充電。
3.2基于雙向DCDC
有文獻提出的做法是，將每只電池的SOC與平均SOC做差，按差值大小將電池排隊，按照一幫一一對紅的原則，差值正的最大與負的絕對值最大結(jié)成對子，通過低壓DCDC，電壓高的電芯給電壓低的充電。以此類推，遍歷全部差值超過某個限定值的電芯，直到遇到?jīng)]有配組必要的電池為止。
3.3基于電感
基本想法是把能量高的電芯能量暫存在電感中，待電路開關(guān)轉(zhuǎn)換位置，電感與低能量電芯連接成回路，再將電感中的能量放入低能量電芯中。
一個具體的例子。比較相鄰兩只電池A和B的端電壓，A高B低；均衡電路首先把電感與A短時間接通，將部分能量充入電感，斷開；再使電感與B形成回路，電感給B充電。能量只能通過電感在相鄰的電芯之間傳遞，但一串電芯的第一只和最后一只也可以通過這種方式實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)移，因而可以形成一個能量傳遞的閉環(huán)。在多次比較傳遞以后，理論上系統(tǒng)內(nèi)的單體電壓可以實現(xiàn)均衡。
3.4基于電容
與應(yīng)用電感的基本想法類似，同樣是設(shè)法把高能量電芯部分能量暫存在電容里，通過配置開關(guān)電路，將能量轉(zhuǎn)移給低能量電芯。
電容的應(yīng)用一般有三種方式，多電容均衡，單電容均衡和雙層電容均衡。
多電容均衡和單電容均衡原理類似，差別在于，多電容電路，電容只在左近的兩只電池之間切換，而單電容均衡，是用開關(guān)的不同通斷組合，使得電容可以并聯(lián)在任意一只電芯的兩端。
將一只電容并聯(lián)在高能量電芯的兩端，部分能量，以充電的形式轉(zhuǎn)移到電容上，待到電芯與電容電壓平衡，開關(guān)斷開，并將電容轉(zhuǎn)接到低能量電芯的兩端，待到電芯與電容電壓平衡，再去重復剛才的過程。電芯自身具有內(nèi)阻，給電芯充電的電源電勢必須略高于電芯。經(jīng)過幾次轉(zhuǎn)移，電容最后與低能量電芯并聯(lián)時，發(fā)現(xiàn)自己不能再給電芯充電了，壓差不夠了。此時均衡過程宣告結(jié)束。
雙層電容均衡，是在多電容的基礎(chǔ)上新增一只并聯(lián)在整個串聯(lián)電池組兩端的電容，使得一串電芯的第一節(jié)和最后一節(jié)的能量轉(zhuǎn)移成為可能，也提高了均衡效率。
3.5基于電阻
給電芯兩端并聯(lián)電阻，讓電阻消耗掉部分電池能量，也就是前面說到的被動均衡采用的方式。
并聯(lián)電阻有兩種形式，一種是固定連接，電阻長期并聯(lián)在電池兩端，電芯電壓高時，通過電阻的電流大，消耗的電量多，電池電壓低時，電阻消耗電量小。通過電阻這種壓敏特性，實現(xiàn)電池端電壓的均衡。這是個理論上可行的方法，實際很少使用。
另一種并聯(lián)電阻方法，是通過開關(guān)回路將電阻并聯(lián)在電芯兩端。開關(guān)由管理系統(tǒng)信號觸發(fā)，當系統(tǒng)判斷哪個電芯電壓或者SOC高時，連接其并聯(lián)電阻，消耗其能量。
4均衡的局限性
被動均衡，電流無法完全按照實際需求去做，因為通過電阻消耗的能量，轉(zhuǎn)化成熱量，對電池管理系統(tǒng)以及電池包都會出現(xiàn)不良影響；
主動均衡，要配置相應(yīng)電路和儲能器件，體積大，成本上升，這兩個條件一起決定了主動均衡不容易推廣應(yīng)用。
電池包的每個充電放電過程，都伴隨著一部分電池局部的附加充放過程，無形中新增了電池的循環(huán)次數(shù)，關(guān)于本身要充放電才能實現(xiàn)均衡的電芯，額外的工作量是否造成其超越一般電芯的老化，進而造成與其他電芯更大的性能差距，還沒有研究做出過明確的判斷。第一個原因，基礎(chǔ)工業(yè)水平?jīng)Q定的材料精度純度的不穩(wěn)定性，帶來了最終產(chǎn)品性能的不一致。使用不同批次的正極、負極和電解液，生產(chǎn)的電芯單體，一般是不能混用的。即使分選過程中的的參數(shù)非常一致，但分選手段基本都不能體現(xiàn)未來使用一段時間以后，電芯的狀態(tài)，因而當前的處理方式就是防止混合使用。
另一個原因是電芯生產(chǎn)過程中的工藝一致性問題。電芯生產(chǎn)工藝比較復雜，大致過程如下。
整個過程中，每一步工序的一致性都非常重要，但最難保障一致性的是涂布工藝過程，涂層厚度和均勻性以及材料活性都不是機械手段易于嚴密把控的，是造成單體差異的重要工序。制造工序中出現(xiàn)的差異，只能在分選工序中盡力彌補。
1.2使用過程
循環(huán)使用過程
單體在整個電池包中的位置不盡相同，被包裹在模組中心的單體與身處模組最外層的單體，散熱條件差異巨大；
與模組集流銅排的相對位置也不可能帶來單體熱環(huán)境的不一致性。銅排是熱的良導體，散熱能力高于電芯單體。電芯相關(guān)于集流銅排的位置不同就會造成彼此間散熱條件的不同。
有研究表明，工作過程中，溫度的不一致會對電芯的不一致性出現(xiàn)最為顯著的影響，使得電芯從不一致走向更大的不一致。
不同的熱環(huán)境疊加在一起，導致單體的工作溫度條件存在差異。高溫工作造成借宿劣化，劣化后的內(nèi)阻上升，又會返回來提高電芯溫升。熱環(huán)境的不同，是這個負反饋的開端。
靜置過程
使用過程中的靜置，設(shè)想單體身處一輛電動汽車中。停車狀態(tài)，車上的所有電力全部斷掉，包括電池包的熱管理系統(tǒng)（假如電池包本來具備熱管理系統(tǒng)的話），電池包處于自然溫度場中。出現(xiàn)影響的，還是電芯的相對位置，造成熱環(huán)境不同。
每顆電芯與電池包殼體距離不同，受到外界溫度變化的影響程度就會存在差異。在達到熱平衡之前，不同電芯的溫度條件都是不同的。
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