摘要

簡單高效，即便不是所有設(shè)計人員的共同追求，也是大多數(shù)人的目標(biāo)。本著“簡單制勝”的原則，本文針對電池管理系統(tǒng)(BMS)，深入探討了一種簡單而高效的主動均衡系統(tǒng)的設(shè)計原型。

引言

您是否依然認(rèn)為電芯的主動均衡方案要么復(fù)雜昂貴，要么簡單經(jīng)濟(jì)但效率低下？其實(shí)，這種看法并不全然源于評估者的主觀偏見，而更多是基于對市面上各類主動均衡方案所做的客觀且公正的分析所得出的判斷。

本系列文章分為三個部分：

第一部分探討電芯容量不匹配和阻抗不匹配對電池管理系統(tǒng)(BMS)電池包的影響。

第二部分介紹市面上幾種傳統(tǒng)的主動均衡解決方案，并分析為什么過去的設(shè)計未能實(shí)現(xiàn)簡單高效。文中還會討論為什么電池包之間的均衡與電芯之間的均衡同樣重要。

第三部分深入評估一個簡單高效的主動均衡原型，包括電路設(shè)計、算法、GUI和均衡性能。

隨著討論從基礎(chǔ)概念逐步進(jìn)入細(xì)致分析，無論是BMS和主動均衡領(lǐng)域的專業(yè)人士和工程師，還是僅僅因標(biāo)題而產(chǎn)生興趣的普通讀者，都能從中獲得有價值的見解和啟示。

電芯不匹配對BMS電池包的影響

在BMS中，多個電芯通常串聯(lián)連接，形成高壓電池包。這種高壓電池包能夠?yàn)槎喾N系統(tǒng)供電，包括電動汽車、高壓儲能系統(tǒng)和不間斷電源。對于這些串聯(lián)連接的電芯，理想的工作條件是所有電芯具有一致的參數(shù)，例如一致的電芯電壓、內(nèi)阻、荷電狀態(tài)(SoC)、健康狀態(tài)(SoH)和工作溫度。

實(shí)際上，當(dāng)一批全新電芯剛剛由制造商生產(chǎn)出來時，它們的性能和指標(biāo)通常是一致的。但在投入實(shí)際使用后，隨著電芯的老化，負(fù)載、環(huán)境溫度和濕度、充電循環(huán)次數(shù)等因素會導(dǎo)致電芯性能不可避免地出現(xiàn)差異。

當(dāng)電芯之間的性能差異較小時，一般不會對電池包的正常運(yùn)行造成影響，也無需予以特別關(guān)注。但一旦電芯之間的性能差異變得足夠顯著，威脅到電池包的正常運(yùn)作，就必須解決此問題。在以下章節(jié)中，電芯之間的顯著性能差異將被稱為電芯不匹配。

電芯容量不匹配

如圖1所示，如果電池包中有幾個電芯的容量明顯低于其他電芯，則稱這幾個電芯為弱電芯。在充電和放電過程中，弱電芯都會帶來問題。在充電過程中，弱電芯會更快達(dá)到滿電壓，先于其他電芯充滿電。然而，電池包由多個電芯串聯(lián)而成，當(dāng)弱電芯充滿電時，充電電流并不會自動停止。因此，一旦弱電芯充滿電，整個電池包的充電過程必須立即停止，以避免過充風(fēng)險，防止危及弱電芯和整個電池包。

類似地，在放電過程中，弱電芯的電壓會更快下降，先于其他電芯更早達(dá)到完全放電狀態(tài)。同樣，一旦弱電芯完全放電，整個電池包的放電過程必須立即停止，否則就會有過放電風(fēng)險，也會帶來安全隱患。細(xì)心的讀者可能很快就意識到，在包含弱電芯的電池包中，整體容量利用率顯著降低。若沒有電芯均衡，健康的電芯在每次循環(huán)中將無法完全充電或完全放電。隨著時間推移，電芯經(jīng)歷反復(fù)充放電循環(huán)，其中弱電芯由于經(jīng)歷更多的循環(huán)，往往會出現(xiàn)更快的容量衰減，從而加劇與其他健康電芯之間的不匹配。

圖1.電池包充電和放電過程中電芯容量不匹配的影響

電芯阻抗不匹配

除了電芯容量，另一個需要高度關(guān)注的重要參數(shù)是電芯阻抗。與容量不匹配類似，阻抗不匹配是指電池包中一個電芯的阻抗與其他電芯的阻抗明顯不同。一些工程師使用電化學(xué)阻抗譜分析(EIS)方法來測量每個電芯的阻抗，并評估它們的健康狀態(tài)。健康或相對較新的電芯通常具有較低的阻抗，而老化或不健康的電芯往往具有較高的阻抗。通過以下圖示，可以更直觀地理解阻抗不匹配對電池包性能的影響。

為了便于討論，我們將電池包中阻抗明顯較高的電芯稱為不健康電芯。圖2直觀地展示了這一現(xiàn)象，將電芯在充放電時的行為簡化為一個由電容和電阻串聯(lián)構(gòu)成的等效電路模型。需要注意的是，這種抽象是為本文的討論而作出的必要簡化。盡管它有助于說明阻抗不匹配的影響，但并不反映真實(shí)電芯的實(shí)際物理和電氣特性。

在充電過程中，內(nèi)阻較高的不健康電芯在給定的充電電流下，會經(jīng)歷更大的電壓降。在這種情況下，如果所有電芯都表現(xiàn)出相同的電壓值，不健康電芯存儲的電能實(shí)際上更少。如圖所示，不健康電芯在充電過程中具有較小的Vcell_actual值。此外，由于其阻抗造成的功率損耗更高，不健康的功率電芯通常會經(jīng)受更高的充電溫度。

在放電過程中，更高的阻抗導(dǎo)致在給定的放電電流下，電壓降更大，功耗更高。因此，不健康電芯的電壓和容量下降速度更快，放電溫度通常也更高。隨著時間推移，經(jīng)過反復(fù)充放電循環(huán)，更高的溫度和老化效應(yīng)會進(jìn)一步加速不健康電芯的阻抗增加，從而加劇電池包內(nèi)的阻抗不匹配問題。

圖2.電池包充電和放電過程中電芯阻抗不匹配的影響

通過分析容量不匹配和阻抗不匹配，細(xì)心的讀者可能注意到，盡管這兩種不匹配代表了電芯不均衡的不同方面，但它們最終產(chǎn)生的影響非常相似。無論是容量較低的弱電芯，還是阻抗較高的不健康電芯，它們主要影響的都是電池包的可用容量和工作電壓。含有弱電芯或不健康電芯的電池包，其整體容量利用率和安全工作時間會顯著減少。此外，這些不匹配的電芯會對電池包內(nèi)表現(xiàn)良好的電芯的安全性和正常運(yùn)行構(gòu)成持續(xù)威脅。

BMS中的被動/主動均衡至關(guān)重要

基于上文關(guān)于電芯不匹配問題的討論，理解BMS中被動和主動均衡的應(yīng)用就會容易得多。

被動均衡是一種耗散性方法，通常在充電周期中進(jìn)行。弱電芯的容量較低，因此在相同的充電電流下，其電壓上升得更快。當(dāng)弱電芯首先達(dá)到或接近滿電時，多余的電能必須立即耗散掉。雖然這種電能耗散會導(dǎo)致熱量產(chǎn)生和熱管理挑戰(zhàn)，但可以延長健康電芯的充電時間，最終會提升電池包的整體運(yùn)行時間。被動均衡在BMS中廣泛采用，大多數(shù)電芯監(jiān)測IC都集成了這一功能。

主動均衡則是通過變壓器、電容和電感在電芯之間轉(zhuǎn)移電能。這種方法在充電和放電周期中均有效，能夠高效地重新分配電荷。雖然被動均衡和主動均衡各有優(yōu)缺點(diǎn)（如表1所總結(jié)），但在實(shí)際BMS設(shè)計中，選擇哪種均衡方法并非簡單地基于優(yōu)缺點(diǎn)的直接比較，而是取決于電池系統(tǒng)的容量和規(guī)模。

通常，均衡電流設(shè)為電芯容量的約1%到5%。例如，在一個4 Ah鋰電芯中，如果均衡電荷是容量的5%，則需要進(jìn)行200 mAh的均衡。這種情形非常適合被動均衡，BMS設(shè)計人員可實(shí)現(xiàn)一個200 mA被動均衡電路，在大約一小時內(nèi)完成電荷耗散，或?qū)崿F(xiàn)一個100 mA電路，在兩小時內(nèi)完成電荷耗散。最終，設(shè)計人員可以根據(jù)所選的電芯監(jiān)測IC的被動均衡電流能力和電芯容量，制定具有針對性的被動均衡策略。

作為對比，考慮一個300 Ah高容量儲能電芯，5%的均衡電荷相當(dāng)于15 Ah。即便使用300 mA的被動均衡電流（已經(jīng)相當(dāng)高），也需要50多個小時才能完成均衡。實(shí)際的均衡時間會更長，因?yàn)樵趩蝹€電芯通道上長時間地持續(xù)進(jìn)行被動均衡會導(dǎo)致過熱，并可能損壞BMS芯片。因此，主動均衡對于高容量電芯是必不可少的。

例如，如果一個主動均衡電路可以處理15 A的電荷轉(zhuǎn)移電流，則15 Ah的不均衡可在大約一小時內(nèi)得到糾正。如果容量為7.5 A，則可能需要大約兩小時，依此類推。與被動均衡不同，主動均衡不會浪費(fèi)電能，而是將電能重新分配到其他電芯或電池包，因此能夠提升整體能效，同時減輕BMS的熱管理負(fù)擔(dān)。

表1.被動和主動電池均衡的優(yōu)缺點(diǎn)

結(jié)語

本文介紹了電芯容量不匹配和阻抗不匹配對電池包正常運(yùn)行的影響。文中還概述了BMS中的被動均衡和主動均衡方法，為后續(xù)文章的進(jìn)一步討論奠定了基礎(chǔ)。