BMS電池管理系統在電池組的運行管理中具有不可替代的作用，均衡管理是其中的一項關鍵技術，然而，均衡控制的實際運行效果遠遠沒有達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管理的準確度和熱管理，不僅影響用戶實際體驗，而且熱失控風險始終存在。   

                        

BMS電池管理系統

針對均衡短板問題，作者開發了一種實時、高速電池均衡技術，通過自動調節每塊電池的實際充放電流，來實現每塊電池都處于近似相同的等倍率充放電狀態，通過與BMS結合，達到延長電池組循環使用壽命、穩定電池組容量和續航時間的目的和效果。

 

關鍵詞：等倍率、雙向同步整流、放電均衡

1. BMS關鍵技術介紹

BMS電池管理系統的三大關鍵技術分別是SOC管理、均衡控制、熱管理。SOC管理除精確計算電池組的當前剩余容量外，還要實時判斷電池過充、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、溫度差異密切關聯。

 

熱管理系統是使電池工作在適當的溫度內，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影響到SOC的準確性、更影響到熱管理，特別是熱失控管理。他們之間的關系如圖1所示。

圖1 一致性問題的產生及影響示意圖

從示意圖可以看出，電池組問題的焦點是一致性問題，是事關電池組循環使用壽命、續航時間和能否安全運行的關鍵，解決好一致性問題才是關鍵，均衡控制是BMS的核心技術，均衡控制的效果與好壞直接關系到SOC的準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鍵問題。

 

在均衡控制功能方面，作為BMS的主要組成部分，國內多為被動均衡或無此功能，主要還是依靠電池生產的一致性來保證，大多數人士認為，只要電池裝配時一致性好，就可以保證電池組的長期高效運行，不會再發生一致性問題。

 

然而，現實卻給出了相反的答案，眾多安裝了BMS的電池組，并沒有因為BMS的存在，電池組的一致性問題消失了，同樣表現出明顯的一致性問題，隨之帶來的便是續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因外，主要由三個外因引起，分別是充放電電壓、充放電電流和環境溫度，下面對這三個原因分別闡述：

 

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使用，最懼怕過充電和過放電，每發生一次過充電或者過放電都會對電池造成很大傷害，甚至不可恢復，如果多次發生過充電或者過放電，電池的衰減將進入加速狀態，快速形成一致性問題。

 

第二、充放電電流。通常情況下，串聯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使用壽命的影響是已知的、經過了大量的科學實驗證明，充放電倍率越大，電池的循環使用壽命越少，充放電倍率越小，電池的循環使用壽命越長。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，這一結論也得到應用和實踐的驗證。

電池管理系統主要功用

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

 

第三、環境溫度。電池的衰減與環境溫度密切關聯，工作參數相同的電池，在不同溫度下的衰減速度是不同的，總的結論是，溫度升高，衰減加速。

 

另外，電池衰減后的一個重要參數的變化是內阻升高，內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，而且會直接導致電池內部損耗的增大、無用功的增加和溫度的加速增高，而溫度的增高又進一步加劇衰減電池的衰減，形成惡性循環。過高和過低的充放電電壓、過高的充放電電流都會加劇衰減電池的溫升額外增高。

 

2. BMS被動均衡控制技術及短板

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

 

被動均衡技術具有先天不足的缺點，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，發熱問題不可小覷，會加劇電池組的溫升，特別是夏季。

 

其次，被動均衡只能進行充電均衡，無法進行放電均衡，當最小容量電池放電完畢后，電池組的放電就結束了，即使其他電池還有很多剩余容量也不起任何作用，這一點，如同“木桶原理”是一樣的。電池的差異越大，容量浪費問題越嚴重，續航里程的縮水問題越嚴重。

 

以100串100Ah電池組為例，假設有1串電池發生嚴重衰減，容量降至60Ah，那么車輛的實際續航里程最多也只有設計值的60%，近40%的容量無法得到利用、浪費嚴重。采用被動均衡的結果就是，每次充電和放電最多只能達到60Ah，無法提高。

 

3. 放電均衡的原理及優勢

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

 

至少可以在原來只剩余60%續航里程的基礎上，再增加約50%的續航里程。要實現這一功效，就必須采用具有高效放電均衡功能的電池均衡技術。

 

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，均衡器并聯在電池組上，電池乙（剩余78%容量）除提供負載電流外，多釋放的電流（圖中黑實線所示）通過均衡器轉換，輸送到電池甲（剩余33%容量）兩端，為電池甲提供一個疊加電流（圖中黑虛線所示，相當于在電池甲的兩端又并聯了一個電池），彌補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載電流；乙電池的實際放電電流遠遠大于甲電池。

 

放電期間，均衡器通過實時檢測甲乙電池的相對電壓差，能自動識別出電池乙的容量大，控制乙電池自動多放電，提高放電倍率，相比之下，甲電池自動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，甲乙電池就可以實現近似相同的放電倍率，實現等倍率均衡放電。因此，均衡放電的實質就是等倍率放電。

圖2 均衡放電原理示意圖

通過均衡放電原理可知，要實現這一功能和目的，對均衡器的要求較高，一是轉換效率要高，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；三是必須具備實時均衡功能，要在放電期間實時介入和干預，不能等到甲電池放電完畢才介入；四是均衡設備的溫升要低，減少溫升對電池組的影響。

 

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

 

相反，設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支持高速靜態均衡，增加有效均衡時間，降低小容量電池的溫升，提高大容量電池的容量利用率，穩定電池組容量，提高電池組運行安全，特別是預防“熱失控”方面表現優秀。

 

電池組的實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，充電均衡技術只能讓電池組充滿電，實際放電容量取決于容量最小的電池。

漢騰汽車電池管理系統

而放電均衡的介入和干預，將電池容量的利用率實現了最大化、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，延長實際續航時間，可以說，放電均衡決定了電池組的最大放電容量和能力，更具有實際意義。

 

4. 放電均衡對于BMS的意義及對接方案

當電池組有BMS介入的情況下，無論是在充電狀態還是放電狀態，衰減電池雖然不會發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，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，并沒有解決電池組的一致性問題。

 

而當本文所述高效電池均衡器介入后，通過實時自動調節電池的相對電壓差實現SOC的重新自動分配，自動調節衰減電池與非衰減電池的實際工作電流，通過自動干預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，從而達到電池組的循環使用壽命與單體電池的循環使用壽命相當，整組電池的循環使用壽命實現最大化，續航時間和續航里程自然就穩定了。

 

5.結束語

電動汽車發展關鍵技術是動力電池及其管理技術，電池是電動汽車的心臟，是能量的來源，BMS是關鍵，而BMS的核心卻是電池均衡，離開了高效的電池均衡技術，其他依賴于均衡控制的所有控制就無從談起，續航里程的穩定性如何就全靠運氣了。這種均衡技術不改變電池組的物理連接，可以與BMS實現無縫結合，實現強強聯合，充分發揮各自的優勢，實現電池管理的最佳化。

參考文獻

[1]周寶林、周全：一種具有同步整流功能的轉移式實時電池均衡器

[2]周寶林、周全：轉移式電池均衡技術對電池電壓與荷電量影響的研究

[3]周寶林、周全：雙向同步整流技術在轉移式實時電池均衡器中的研究與應用

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。

 

 

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