BMS關(guān)鍵技術(shù)之均衡控制短板與解決方案

電動(dòng)汽車發(fā)展關(guān)鍵技術(shù)是動(dòng)力電池及其管理技術(shù)，電池是電動(dòng)汽車的心臟，是能量的，BMS是關(guān)鍵，而BMS的核心卻是電池均衡，離開了高效的電池均衡技術(shù)，其他依賴于均衡控制的所有控制就無從談起。

BMS電池管理系統(tǒng)在電池組的運(yùn)行管理中具有不可替代的作用，均衡管理是其中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，然而，均衡控制的實(shí)際運(yùn)行效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到電池組的均衡要求，是BMS的短板，這種短板又直接影響了SOC管理的準(zhǔn)確度和熱管理，不僅影響用戶實(shí)際體驗(yàn)，而且熱失控風(fēng)險(xiǎn)始終存在。

BMS電池管理系統(tǒng)

針對均衡短板問題，作者開發(fā)了一種實(shí)時(shí)、高速電池均衡技術(shù)，通過自動(dòng)調(diào)節(jié)每塊電池的實(shí)際充放電流，來實(shí)現(xiàn)每塊電池都處于近似相同的等倍率充放電狀態(tài)，通過與BMS結(jié)合，達(dá)到延長電池組循環(huán)使用壽命、穩(wěn)定電池組容量和續(xù)航時(shí)間的目的和效果。

1. BMS關(guān)鍵技術(shù)介紹

BMS電池管理系統(tǒng)的三大關(guān)鍵技術(shù)分別是SOC管理、均衡控制、熱管理。SOC管理除精確計(jì)算電池組的當(dāng)前剩余容量外，還要實(shí)時(shí)判斷電池過充、過放等一系列故障;均衡控制的作用是保證電池單體的一致性，而一致性問題與充放電壓、充放電流、溫度差異密切關(guān)聯(lián)。

熱管理系統(tǒng)是使電池工作在適當(dāng)?shù)臏囟葍?nèi)，降低電池模塊的溫度差異。以均衡管理為例，它主要是要解決電池組的一致性問題，一致性問題的存在既會(huì)影響到SOC的準(zhǔn)確性、更影響到熱管理，特別是熱失控管理。他們之間的關(guān)系如圖1所示。

圖1 一致性問題的產(chǎn)生及影響示意圖

從示意圖可以看出，電池組問題的焦點(diǎn)是一致性問題，是事關(guān)電池組循環(huán)使用壽命、續(xù)航時(shí)間和能否安全運(yùn)行的關(guān)鍵，解決好一致性問題才是關(guān)鍵，均衡控制是BMS的核心技術(shù)，均衡控制的效果與好壞直接關(guān)系到SOC的準(zhǔn)確性和熱管理的成敗，因此，解決了均衡控制，也就解決了電池管理的幾乎所有關(guān)鍵問題。

在均衡控制功能方面，作為BMS的主要組成部分，國內(nèi)多為被動(dòng)均衡或無此功能，主要還是依靠電池生產(chǎn)的一致性來保證，大多數(shù)人士認(rèn)為，只要電池裝配時(shí)一致性好，就可以保證電池組的長期高效運(yùn)行，不會(huì)再發(fā)生一致性問題。

然而，現(xiàn)實(shí)卻給出了相反的答案，眾多安裝了BMS的電池組，并沒有因?yàn)锽MS的存在，電池組的一致性問題消失了，同樣表現(xiàn)出明顯的一致性問題，隨之帶來的便是續(xù)航里程大幅度縮水等問題。

我們都知道，影響電池組一致性問題的主要原因除了電池自身差異的內(nèi)因外，主要由三個(gè)外因引起，分別是充放電電壓、充放電電流和環(huán)境溫度，下面對這三個(gè)原因分別闡述：

第一、充放電電壓。蓄電池對充放電電壓非常敏感，必須在合適的電壓范圍內(nèi)使用，最懼怕過充電和過放電，每發(fā)生一次過充電或者過放電都會(huì)對電池造成很大傷害，甚至不可恢復(fù)，如果多次發(fā)生過充電或者過放電，電池的衰減將進(jìn)入加速狀態(tài)，快速形成一致性問題。

第二、充放電電流。通常情況下，串聯(lián)電池組中的每一塊電池的充放電電流都是相同的，但是對于不同容量電池的影響卻是不同的，在相同的充放電流下，不同容量電池的充放電倍率是不同的，容量大的電池，充放電倍率相對較小;容量小的電池，充放電倍率相對較大。

充放電倍率對電池循環(huán)使用壽命的影響是已知的、經(jīng)過了大量的科學(xué)實(shí)驗(yàn)證明，充放電倍率越大，電池的循環(huán)使用壽命越少，充放電倍率越小，電池的循環(huán)使用壽命越長。由此可見，對于同一存在容量差異的電池組，充放電電流越大，電池組的衰減越快，這一結(jié)論也得到應(yīng)用和實(shí)踐的驗(yàn)證。

電池管理系統(tǒng)主要功用

以電動(dòng)汽車為例，經(jīng)常做急加速、高速行駛的電動(dòng)汽車，電池的一致性問題發(fā)生的最早，衰減速度普遍較快，而平穩(wěn)起步和中低速行駛的的電動(dòng)汽車，電池的一致性問題則發(fā)生得較晚，衰減問題就相對不突出。

第三、環(huán)境溫度。電池的衰減與環(huán)境溫度密切關(guān)聯(lián)，工作參數(shù)相同的電池，在不同溫度下的衰減速度是不同的，總的結(jié)論是，溫度升高，衰減加速。

另外，電池衰減后的一個(gè)重要參數(shù)的變化是內(nèi)阻升高，內(nèi)阻升高對電池影響非常大，不僅直接影響充放電速度和容量，而且會(huì)直接導(dǎo)致電池內(nèi)部損耗的增大、無用功的增加和溫度的加速增高，而溫度的增高又進(jìn)一步加劇衰減電池的衰減，形成惡性循環(huán)。過高和過低的充放電電壓、過高的充放電電流都會(huì)加劇衰減電池的溫升額外增高。

2. BMS被動(dòng)均衡控制技術(shù)及短板

因均衡技術(shù)和成本原因，國內(nèi)電動(dòng)汽車廠商的BMS所提供的均衡控制主要以被動(dòng)均衡為主，被動(dòng)均衡要解決的問題是保證充電時(shí)所有電池充滿。

被動(dòng)均衡技術(shù)具有先天不足的缺點(diǎn)，首先，均衡電流非常小，通常只有100mA左右，對于幾十Ah以上的車載動(dòng)力電池組來說均衡作用非常有限，除非電池組的一致性非常好，如果提高均衡電流，發(fā)熱問題不可小覷，會(huì)加劇電池組的溫升，特別是夏季。

其次，被動(dòng)均衡只能進(jìn)行充電均衡，無法進(jìn)行放電均衡，當(dāng)最小容量電池放電完畢后，電池組的放電就結(jié)束了，即使其他電池還有很多剩余容量也不起任何作用，這一點(diǎn)，如同“木桶原理”是一樣的。電池的差異越大，容量浪費(fèi)問題越嚴(yán)重，續(xù)航里程的縮水問題越嚴(yán)重。

以100串100Ah電池組為例，假設(shè)有1串電池發(fā)生嚴(yán)重衰減，容量降至60Ah，那么車輛的實(shí)際續(xù)航里程最多也只有設(shè)計(jì)值的60%，近40%的容量無法得到利用、浪費(fèi)嚴(yán)重。采用被動(dòng)均衡的結(jié)果就是，每次充電和放電最多只能達(dá)到60Ah，無法提高。

3. 放電均衡的原理及優(yōu)勢

繼續(xù)以上述例子闡述，被動(dòng)均衡只能利用60%的容量，40%的容量無法利用，不僅造成大量的浪費(fèi)，車輛每天還要多承擔(dān)約40%的電池重量做無用功。對于被動(dòng)均衡無法利用的40%容量，如果通過其他電池均衡技術(shù)，即使再利用效率只有85%，約34Ah可以利用，那么增加的續(xù)航里程也將是非常明顯的。

至少可以在原來只剩余60%續(xù)航里程的基礎(chǔ)上，再增加約50%的續(xù)航里程。要實(shí)現(xiàn)這一功效，就必須采用具有高效放電均衡功能的電池均衡技術(shù)。

均衡放電的原理如圖2所示。為便于說明，以兩串電池組(多串電池組原理相同)的均衡放電為例，均衡器并聯(lián)在電池組上，電池乙(剩余78%容量)除提供負(fù)載電流外，多釋放的電流(圖中黑實(shí)線所示)通過均衡器轉(zhuǎn)換，輸送到電池甲(剩余33%容量)兩端，為電池甲提供一個(gè)疊加電流(圖中黑虛線所示，相當(dāng)于在電池甲的兩端又并聯(lián)了一個(gè)電池)，彌補(bǔ)小容量電池甲放電能力的不足，疊加電流加上電池甲的放電電流等于負(fù)載電流;乙電池的實(shí)際放電電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于甲電池。

放電期間，均衡器通過實(shí)時(shí)檢測甲乙電池的相對電壓差，能自動(dòng)識別出電池乙的容量大，控制乙電池自動(dòng)多放電，提高放電倍率，相比之下，甲電池自動(dòng)少放電降低放電電流和放電倍率，如果均衡器的均衡電流滿足需要，甲乙電池就可以實(shí)現(xiàn)近似相同的放電倍率，實(shí)現(xiàn)等倍率均衡放電。因此，均衡放電的實(shí)質(zhì)就是等倍率放電。

圖2 均衡放電原理示意圖

通過均衡放電原理可知，要實(shí)現(xiàn)這一功能和目的，對均衡器的要求較高，一是轉(zhuǎn)換效率要高，減少電能的損失，提高電能利用率;二是支持的均衡電流要大，以滿足大電流均衡的需要;三是必須具備實(shí)時(shí)均衡功能，要在放電期間實(shí)時(shí)介入和干預(yù)，不能等到甲電池放電完畢才介入;四是均衡設(shè)備的溫升要低，減少溫升對電池組的影響。

基于這一思想和原理，作者歷時(shí)多年，成功開發(fā)出專門用于電池組均衡的實(shí)時(shí)、高效、高速、大功率、轉(zhuǎn)移式電池均衡技術(shù)[1]，實(shí)時(shí)、高速地均衡電池電壓與荷電量[2]，特別是其獨(dú)特的雙向同步整流技術(shù)[3],令均衡電流和均衡效率大幅度提升。

相反，設(shè)備溫升卻大幅度下降，不僅支持高速充電均衡，而且支持高速放電均衡，特別重要的是還同時(shí)支持高速靜態(tài)均衡，增加有效均衡時(shí)間，降低小容量電池的溫升，提高大容量電池的容量利用率，穩(wěn)定電池組容量，提高電池組運(yùn)行安全，特別是預(yù)防“熱失控”方面表現(xiàn)優(yōu)秀。

電池組的實(shí)際剩余容量與初始容量的比值反映了電池容量的衰減率，這一比值越大，說明電池組的健康狀況越好，充電均衡技術(shù)只能讓電池組充滿電，實(shí)際放電容量取決于容量最小的電池。

BMS關(guān)鍵技術(shù)之均衡控制短板與解決方案

漢騰汽車電池管理系統(tǒng)

而放電均衡的介入和干預(yù)，將電池容量的利用率實(shí)現(xiàn)了最大化、最佳化，未衰減電池和微衰減電池的多余電量都可以得到高效利用，延長實(shí)際續(xù)航時(shí)間，可以說，放電均衡決定了電池組的最大放電容量和能力，更具有實(shí)際意義。

4. 放電均衡對于BMS的意義及對接方案

當(dāng)電池組有BMS介入的情況下，無論是在充電狀態(tài)還是放電狀態(tài)，衰減電池雖然不會(huì)發(fā)生過充電和過放電情況，但其充放電倍率以及溫升始終高于其它非衰減電池，因此衰減始終處于加速狀態(tài)，衰減速度始終是最快的，基于“木桶原理”，因此電池組的衰減仍然非常快，可見BMS的介入，并沒有改變電池組的衰減狀態(tài)，并沒有解決電池組的一致性問題。

而當(dāng)本文所述高效電池均衡器介入后，通過實(shí)時(shí)自動(dòng)調(diào)節(jié)電池的相對電壓差實(shí)現(xiàn)SOC的重新自動(dòng)分配，自動(dòng)調(diào)節(jié)衰減電池與非衰減電池的實(shí)際工作電流，通過自動(dòng)干預(yù)使衰減電池與其它電池具有近似相同的充放電倍率，讓電池組的衰減始終保持在自然衰減狀態(tài)，從而達(dá)到電池組的循環(huán)使用壽命與單體電池的循環(huán)使用壽命相當(dāng)，整組電池的循環(huán)使用壽命實(shí)現(xiàn)最大化，續(xù)航時(shí)間和續(xù)航里程自然就穩(wěn)定了。

5.結(jié)束語

電動(dòng)汽車發(fā)展關(guān)鍵技術(shù)是動(dòng)力電池及其管理技術(shù)，電池是電動(dòng)汽車的心臟，是能量的，BMS是關(guān)鍵，而BMS的核心卻是電池均衡，離開了高效的電池均衡技術(shù)，其他依賴于均衡控制的所有控制就無從談起，續(xù)航里程的穩(wěn)定性如何就全靠運(yùn)氣了。這種均衡技術(shù)不改變電池組的物理連接，可以與BMS實(shí)現(xiàn)無縫結(jié)合，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)電池管理的最佳化。

參考文獻(xiàn)

[1]周寶林、周全：一種具有同步整流功能的轉(zhuǎn)移式實(shí)時(shí)電池均衡器

[2]周寶林、周全：轉(zhuǎn)移式電池均衡技術(shù)對電池電壓與荷電量影響的研究

[3]周寶林、周全：雙向同步整流技術(shù)在轉(zhuǎn)移式實(shí)時(shí)電池均衡器中的研究與應(yīng)用

第一作者簡介：周寶林(1968-)，男，黑龍江，工程碩士，高級工程師，主要研究方向：電池均衡技術(shù)。