摘要

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

引言

您是否依然認(rèn)為電芯的主動(dòng)均衡方案要么復(fù)雜昂貴，要么簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)但效率低下？其實(shí)，這種看法并不全然源于評(píng)估者的主觀偏見，而更多是基于對(duì)市面上各類主動(dòng)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(gè)部分：

第一部分探討電芯容量不匹配和阻抗不匹配對(duì)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(dòng)均衡解決方案，并分析為什么過去的設(shè)計(jì)未能實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單高效。文中還會(huì)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(píng)估一個(gè)簡(jiǎn)單高效的主動(dòng)均衡原型，包括電路設(shè)計(jì)、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(dòng)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(jià)值的見解和啟示。

電芯不匹配對(duì)BMS電池包的影響

在BMS中，多個(gè)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(dòng)汽車、高壓儲(chǔ)能系統(tǒng)和不間斷電源。對(duì)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(shí)，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(huì)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(shí)，一般不會(huì)對(duì)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(gè)電芯的容量明顯低于其他電芯，則稱這幾個(gè)電芯為弱電芯。在充電和放電過程中，弱電芯都會(huì)帶來問題。在充電過程中，弱電芯會(huì)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(gè)電芯串聯(lián)而成，當(dāng)弱電芯充滿電時(shí)，充電電流并不會(huì)自動(dòng)停止。因此，一旦弱電芯充滿電，整個(gè)電池包的充電過程必須立即停止，以避免過充風(fēng)險(xiǎn)，防止危及弱電芯和整個(gè)電池包。

類似地，在放電過程中，弱電芯的電壓會(huì)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(gè)電池包的放電過程必須立即停止，否則就會(huì)有過放電風(fēng)險(xiǎn)，也會(huì)帶來安全隱患。細(xì)心的讀者可能很快就意識(shí)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(shí)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(huì)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(gè)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(gè)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(cè)量每個(gè)電芯的阻抗，并評(píng)估它們的健康狀態(tài)。健康或相對(duì)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(duì)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(shí)的行為簡(jiǎn)化為一個(gè)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(jiǎn)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(huì)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(chǔ)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(huì)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(shí)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(huì)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(shí)間會(huì)顯著減少。此外，這些不匹配的電芯會(huì)對(duì)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(dòng)/主動(dòng)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(dòng)和主動(dòng)均衡的應(yīng)用就會(huì)容易得多。

被動(dòng)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(shí)，多余的電能必須立即耗散掉。雖然這種電能耗散會(huì)導(dǎo)致熱量產(chǎn)生和熱管理挑戰(zhàn)，但可以延長(zhǎng)健康電芯的充電時(shí)間，最終會(huì)提升電池包的整體運(yùn)行時(shí)間。被動(dòng)均衡在BMS中廣泛采用，大多數(shù)電芯監(jiān)測(cè)IC都集成了這一功能。

主動(dòng)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(dòng)均衡和主動(dòng)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(jì)中，選擇哪種均衡方法并非簡(jiǎn)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(gè)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(dòng)均衡，BMS設(shè)計(jì)人員可實(shí)現(xiàn)一個(gè)200 mA被動(dòng)均衡電路，在大約一小時(shí)內(nèi)完成電荷耗散，或?qū)崿F(xiàn)一個(gè)100 mA電路，在兩小時(shí)內(nèi)完成電荷耗散。最終，設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)所選的電芯監(jiān)測(cè)IC的被動(dòng)均衡電流能力和電芯容量，制定具有針對(duì)性的被動(dòng)均衡策略。

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

例如，如果一個(gè)主動(dòng)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(shí)內(nèi)得到糾正。如果容量為7.5 A，則可能需要大約兩小時(shí)，依此類推。與被動(dòng)均衡不同，主動(dòng)均衡不會(huì)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(shí)減輕BMS的熱管理負(fù)擔(dān)。

表1.被動(dòng)和主動(dòng)電池均衡的優(yōu)缺點(diǎn)

結(jié)語(yǔ)

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