BMS关键技术之均衡控制短板与解决方案

[公众号：动力电池网]电动汽车发展关键技术是动力电池及其管理技术，电池是电动汽车的心脏，是能量的来源，BMS是关键，而BMS的核心却是电池均衡，离开了高效的电池均衡技术，其他依赖于均衡控制的所有控制就无从谈起。

BMS电池管理系统在电池组的运行管理中具有不可替代的作用，均衡管理是其中的一项关键技术，然而，均衡控制的实际运行效果远远没有达到电池组的均衡要求，是BMS的短板，这种短板又直接影响了SOC管理的准确度和热管理，不仅影响用户实际体验，而且热失控风险始终存在。

针对均衡短板问题，作者开发了一种实时、高速电池均衡技术，通过自动调节每块电池的实际充放电流，来实现每块电池都处于近似相同的等倍率充放电状态，通过与BMS结合，达到延长电池组循环使用寿命、稳定电池组容量和续航时间的目的和效果。

关键词：等倍率、双向同步整流、放电均衡

1. BMS关键技术介绍

BMS电池管理系统的三大关键技术分别是SOC管理、均衡控制、热管理。SOC管理除精确计算电池组的当前剩余容量外，还要实时判断电池过充、过放等一系列故障；均衡控制的作用是保证电池单体的一致性，而一致性问题与充放电压、充放电流、温度差异密切关联。

热管理系统是使电池工作在适当的温度内，降低电池模块的温度差异。以均衡管理为例，它主要是要解决电池组的一致性问题，一致性问题的存在既会影响到SOC的准确性、更影响到热管理，特别是热失控管理。他们之间的关系如图1所示。

从示意图可以看出，电池组问题的焦点是一致性问题，是事关电池组循环使用寿命、续航时间和能否安全运行的关键，解决好一致性问题才是关键，均衡控制是BMS的核心技术，均衡控制的效果与好坏直接关系到SOC的准确性和热管理的成败，因此，解决了均衡控制，也就解决了电池管理的几乎所有关键问题。

在均衡控制功能方面，作为BMS的主要组成部分，国内多为被动均衡或无此功能，主要还是依靠电池生产的一致性来保证，大多数人士认为，只要电池装配时一致性好，就可以保证电池组的长期高效运行，不会再发生一致性问题。

然而，现实却给出了相反的答案，众多安装了BMS的电池组，并没有因为BMS的存在，电池组的一致性问题消失了，同样表现出明显的一致性问题，随之带来的便是续航里程大幅度缩水等问题。

我们都知道，影响电池组一致性问题的主要原因除了电池自身差异的内因外，主要由三个外因引起，分别是充放电电压、充放电电流和环境温度，下面对这三个原因分别阐述：

第一、充放电电压。蓄电池对充放电电压非常敏感，必须在合适的电压范围内使用，最惧怕过充电和过放电，每发生一次过充电或者过放电都会对电池造成很大伤害，甚至不可恢复，如果多次发生过充电或者过放电，电池的衰减将进入加速状态，快速形成一致性问题。

第二、充放电电流。通常情况下，串联电池组中的每一块电池的充放电电流都是相同的，但是对于不同容量电池的影响却是不同的，在相同的充放电流下，不同容量电池的充放电倍率是不同的，容量大的电池，充放电倍率相对较小；容量小的电池，充放电倍率相对较大。

充放电倍率对电池循环使用寿命的影响是已知的、经过了大量的科学实验证明，充放电倍率越大，电池的循环使用寿命越少，充放电倍率越小，电池的循环使用寿命越长。由此可见，对于同一存在容量差异的电池组，充放电电流越大，电池组的衰减越快，这一结论也得到应用和实践的验证。

以电动汽车为例，经常做急加速、高速行驶的电动汽车，电池的一致性问题发生的最早，衰减速度普遍较快，而平稳起步和中低速行驶的的电动汽车，电池的一致性问题则发生得较晚，衰减问题就相对不突出。

第三、环境温度。电池的衰减与环境温度密切关联，工作参数相同的电池，在不同温度下的衰减速度是不同的，总的结论是，温度升高，衰减加速。

另外，电池衰减后的一个重要参数的变化是内阻升高，内阻升高对电池影响非常大，不仅直接影响充放电速度和容量，而且会直接导致电池内部损耗的增大、无用功的增加和温度的加速增高，而温度的增高又进一步加剧衰减电池的衰减，形成恶性循环。过高和过低的充放电电压、过高的充放电电流都会加剧衰减电池的温升额外增高。

2. BMS被动均衡控制技术及短板

因均衡技术和成本原因，国内电动汽车厂商的BMS所提供的均衡控制主要以被动均衡为主，被动均衡要解决的问题是保证充电时所有电池充满。

被动均衡技术具有先天不足的缺点，首先，均衡电流非常小，通常只有100mA左右，对于几十Ah以上的车载动力电池组来说均衡作用非常有限，除非电池组的一致性非常好，如果提高均衡电流，发热问题不可小觑，会加剧电池组的温升，特别是夏季。

其次，被动均衡只能进行充电均衡，无法进行放电均衡，当最小容量电池放电完毕后，电池组的放电就结束了，即使其他电池还有很多剩余容量也不起任何作用，这一点，如同“木桶原理”是一样的。电池的差异越大，容量浪费问题越严重，续航里程的缩水问题越严重。

以100串100Ah电池组为例，假设有1串电池发生严重衰减，容量降至60Ah，那么车辆的实际续航里程最多也只有设计值的60%，近40%的容量无法得到利用、浪费严重。采用被动均衡的结果就是，每次充电和放电最多只能达到60Ah，无法提高。

3. 放电均衡的原理及优势

继续以上述例子阐述，被动均衡只能利用60%的容量，40%的容量无法利用，不仅造成大量的浪费，车辆每天还要多承担约40%的电池重量做无用功。对于被动均衡无法利用的40%容量，如果通过其他电池均衡技术，即使再利用效率只有85%，约34Ah可以利用，那么增加的续航里程也将是非常明显的。

至少可以在原来只剩余60%续航里程的基础上，再增加约50%的续航里程。要实现这一功效，就必须采用具有高效放电均衡功能的电池均衡技术。

均衡放电的原理如图2所示。为便于说明，以两串电池组（多串电池组原理相同）的均衡放电为例，均衡器并联在电池组上，电池乙（剩余78%容量）除提供负载电流外，多释放的电流（图中黑实线所示）通过均衡器转换，输送到电池甲（剩余33%容量）两端，为电池甲提供一个叠加电流（图中黑虚线所示，相当于在电池甲的两端又并联了一个电池），弥补小容量电池甲放电能力的不足，叠加电流加上电池甲的放电电流等于负载电流；乙电池的实际放电电流远远大于甲电池。

放电期间，均衡器通过实时检测甲乙电池的相对电压差，能自动识别出电池乙的容量大，控制乙电池自动多放电，提高放电倍率，相比之下，甲电池自动少放电降低放电电流和放电倍率，如果均衡器的均衡电流满足需要，甲乙电池就可以实现近似相同的放电倍率，实现等倍率均衡放电。因此，均衡放电的实质就是等倍率放电。

通过均衡放电原理可知，要实现这一功能和目的，对均衡器的要求较高，一是转换效率要高，减少电能的损失，提高电能利用率；二是支持的均衡电流要大，以满足大电流均衡的需要；三是必须具备实时均衡功能，要在放电期间实时介入和干预，不能等到甲电池放电完毕才介入；四是均衡设备的温升要低，减少温升对电池组的影响。

基于这一思想和原理，作者历时多年，成功开发出专门用于电池组均衡的实时、高效、高速、大功率、转移式电池均衡技术[1]，实时、高速地均衡电池电压与荷电量[2]，特别是其独特的双向同步整流技术[3],令均衡电流和均衡效率大幅度提升。

相反，设备温升却大幅度下降，不仅支持高速充电均衡，而且支持高速放电均衡，特别重要的是还同时支持高速静态均衡，增加有效均衡时间，降低小容量电池的温升，提高大容量电池的容量利用率，稳定电池组容量，提高电池组运行安全，特别是预防“热失控”方面表现优秀。

电池组的实际剩余容量与初始容量的比值反映了电池容量的衰减率，这一比值越大，说明电池组的健康状况越好，充电均衡技术只能让电池组充满电，实际放电容量取决于容量最小的电池。

而放电均衡的介入和干预，将电池容量的利用率实现了最大化、最佳化，未衰减电池和微衰减电池的多余电量都可以得到高效利用，延长实际续航时间，可以说，放电均衡决定了电池组的最大放电容量和能力，更具有实际意义。

4. 放电均衡对于BMS的意义及对接方案

当电池组有BMS介入的情况下，无论是在充电状态还是放电状态，衰减电池虽然不会发生过充电和过放电情况，但其充放电倍率以及温升始终高于其它非衰减电池，因此衰减始终处于加速状态，衰减速度始终是最快的，基于“木桶原理”，因此电池组的衰减仍然非常快，可见BMS的介入，并没有改变电池组的衰减状态，并没有解决电池组的一致性问题。

而当本文所述高效电池均衡器介入后，通过实时自动调节电池的相对电压差实现SOC的重新自动分配，自动调节衰减电池与非衰减电池的实际工作电流，通过自动干预使衰减电池与其它电池具有近似相同的充放电倍率，让电池组的衰减始终保持在自然衰减状态，从而达到电池组的循环使用寿命与单体电池的循环使用寿命相当，整组电池的循环使用寿命实现最大化，续航时间和续航里程自然就稳定了。

5.结束语

电动汽车发展关键技术是动力电池及其管理技术，电池是电动汽车的心脏，是能量的来源，BMS是关键，而BMS的核心却是电池均衡，离开了高效的电池均衡技术，其他依赖于均衡控制的所有控制就无从谈起，续航里程的稳定性如何就全靠运气了。这种均衡技术不改变电池组的物理连接，可以与BMS实现无缝结合，实现强强联合，充分发挥各自的优势，实现电池管理的最佳化。

参考文献

[1]周宝林、周全：一种具有同步整流功能的转移式实时电池均衡器

[2]周宝林、周全：转移式电池均衡技术对电池电压与荷电量影响的研究

[3]周宝林、周全：双向同步整流技术在转移式实时电池均衡器中的研究与应用

第一作者简介：周宝林（1968－），男，黑龙江，工程硕士，高级工程师，主要研究方向：电池均衡技术。

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