電池組管理之電池均衡

　　寫到電池均衡，基本上已經(jīng)觸及了BMS的核心區(qū)域，首先需要明白幾點問題。

　　1.電池均衡是有限度的，效果需要用一定的參數(shù)進行評價。

　　2.電池均衡在HEV和EV里面，要求有很大的區(qū)別。

　　3.電池均衡的效果必須與成本和額外的能量消耗進行博弈和妥協(xié)。

　　而且其實有必要搞清楚為什么要進行均衡，從幾篇論文中，可以得到一些明確的闡述：

　　SAE_Battery Charge Equalization–State of the Art and Future Trends

　　SAE_A Review of Cell Equalization Methods for Lithium Ion and Lithium Polymer Battery Systems

　　這兩篇文章都是對這個方面較為全面的論述，中文的文章有一文《動力電池組特性分析與均衡管理》寫得比較全面，但是可能太抽象了。

　　均衡的原因：

　　EV和HEV都需要在充電和放電階段承受很大的瞬間電流，充電的時候表現(xiàn)在制動能量回收(regenerative braking current)。對于鋰電池而言，這么大的充電電流可能是部分較滿的電池直接超過損壞的電壓區(qū)間。

　　放電階段則是電機在啟動和汽車加速的時候，需要很高的瞬間能量。大的放電電流，可能讓某些電池處于深度放電的狀態(tài)，一是影響輸出電流，二是電池本身就會損壞。

　　2010 Honda Insight-II的示意圖片

　　對于上述的電流計算，其實和整車有很大的關(guān)系，相信在后面找到充分的資料和計算公式以后，可以把能量管理單元(Energy Storage System)動力單元(Power Train Sytem)和最終的車體環(huán)境的參數(shù)建立一些計算和評估的公式，在對比當(dāng)前賣得一些“電動車”時候可以做出一些初步的Review.

　　電池單體的差異主要表現(xiàn)在內(nèi)阻和隨著時間推移和溫度變化時候，容量會有差異。高內(nèi)阻和低容量的電池，在放電電流大的時候會出現(xiàn)更大的電壓擺幅。與標準電池差異大的電池更容易損壞，因此某種程度上，需要使用均衡的算法，使得整個電池組擺脫短板效應(yīng)。

　　均衡的方法分類：充電均衡，放電均衡和動態(tài)均衡。

　　1.充電均衡在充電過程中后期,部分電池的容量很高，其單體電壓已經(jīng)超過設(shè)定的限制的時候(一般要比截止電壓小)時,BMS控制均衡電路開始工作,控制這些容量滿的電池少充，不充甚至是轉(zhuǎn)移能量，以達到在整個電池組的容量小的電池繼續(xù)充電并且容量滿電池不損壞的目的。

　　充電均衡的功能是防止電池組內(nèi)的電池過充電，部分結(jié)構(gòu)在放電使用中，可能會帶來的某些負面影響。由于充電均衡僅僅保證了電池在充電中，容量最小的電池不過充，在放電過程中，它能釋放的能量也是最小的，因此這些電池過度放電的可能性很大。如果BMS控制不好的情況下，這些容量小的電池已經(jīng)處于深度放電條件下，電池組的整體仍蘊含較高的能量(表現(xiàn)在電池組電壓較高)。往往充電均衡需要與放電均衡一起使用。

　　2.放電均衡在電池組輸出功率時,通過補充電能限制容量低的電池放電，使得它單體電壓不低于預(yù)設(shè)值(一般要比放電終止電壓高一點)。

　　補充一下：預(yù)設(shè)值是很難設(shè)計的，與不同的電池種類有很大的關(guān)系。兩個重要參數(shù)充電截止電壓和放電終止電壓，均和電池溫度，充放電流很關(guān)。

　　3. 動態(tài)均衡：工作與電池充電狀態(tài),放電狀態(tài)態(tài),還是浮置狀態(tài)(idle),可通過能量轉(zhuǎn)換的方法實現(xiàn)組中單體電壓的平衡,實時保持相近的荷電程度。 事實上，關(guān)于idle狀態(tài)的轉(zhuǎn)化可能引起額外的能量消耗，因此需要謹慎評估，不能把電池自己的能量轉(zhuǎn)來轉(zhuǎn)去，最后都變成熱量消耗掉了，這是工程師最忌諱的均衡完美主義。打個比喻是，削甘蔗，為了保持每段的均勻，不斷把長的削斷，最后把所有的甘蔗都削沒了。

　　事實上，這從BMS的控制階段上劃分方法。

　　從拓撲上分：

　　斷流(disconnection circuit):這是人們首先想到的最簡單的辦法，當(dāng)單體電壓在滿足一定條件時，把單體電池的回路斷開,并使用另一個開關(guān)進行旁路。對于電池組而言就需要組合成開關(guān)矩陣,動態(tài)改變電池組內(nèi)單體之間的連接結(jié)構(gòu),可使用的是繼電器,智能功率開關(guān)。由于電流的實際大小很大，使得這種方法對于開關(guān)的要求很高，從實際應(yīng)用來看是最不現(xiàn)實的。本身這種方法也存在很多的局限性，它并沒有初始階段去控制這種不平衡性。

　　分流(Shuntingmethod)和能耗型(Dissipative Method)，事實上應(yīng)用了類似的結(jié)構(gòu)，從本質(zhì)上分流是屬于能耗型的一部分。

　　分流是給每只電池添加一個額外的旁路補償裝置,通過外部電阻的特性來補償電池的特性。 能耗性也是為單體電池提供并聯(lián)電流支路,將電壓過高的單體電池通過分流轉(zhuǎn)移電能達到均衡目的。它們的實質(zhì)是通過能量消耗的辦法限制單體電池出現(xiàn)過高或過低的端電壓，這是成本最低的可行的辦法，需要考慮的問題同樣是電阻的散熱功率，電池組的能量損耗，開關(guān)的過流能力。

　　主動均衡方法也成為回饋(ACTIVE CELL BALANCING METHODS)通過能量變換器將單體之間的偏差能量饋送回電池組或組中某些單體。

　　在這個方面有著各種的方法，使用電容，電感和變壓器等器件進行能量的轉(zhuǎn)移，這里將單獨進行詳細的分析和闡述。有些文章里面也會劃分為單向和雙向，集中和分散，其實區(qū)別不大。總體而言，主動均衡方法在成本和效果上有著很大的文章和協(xié)調(diào)空間，在器件的篩選上對設(shè)計者也提出了很高的要求，在下圖里面其實就是設(shè)計 DC/Dc電源了。