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BMS 电池均衡介绍

作者:佛山市顺德区铭江 发布时间:2020-07-18

BMS 电池均衡介绍

  电池管理系统(BMS)主要就是为了能够提高电池的利用率,防止电池出现过度充电和过度放电,延长电池的使用寿命,监控电池的状态。其作用是对锂离子电池电压、电流、温度、容量、电池SOC荷电状态计量、电池与车体的绝缘状态等多种参数以CAN通讯的方式与车控电脑适时进行信息交换,确保电池的能量发挥到极致,使驾驶者能够随时掌握电池的工作状态,以保证电池的安全。BMS的功能包括电池工作状态监控、充放电管理,单体电池间均衡,其中均衡是电池管理的核心。

  单体锂电池一般组成锂电池组使用。锂电池组在使用过程中,由于单体电池本身及外部环境的差异,使得锂电池组各单体电池的电压实际并不均衡,这样,就容易造成锂电池组在整体充放电使用过程中,其中某个单体锂电池出现过充电或过放电,极大的降低了锂电池的使用寿命。

  不一致性的产生原因:在制造过程中,由于工艺问题和材质的不均匀,使电池极板厚度、微孔率、活性物质的活化程度等存在微笑差别,这种电池内部结构和材质上的不完全一致性,就会使同一批次出厂的同一型号电池的容量、内阻和电压等参数值不可能完全一致;

  在装车使用时,由于电池组中各个电池的温度、通风条件、自放电程度、电解液密度等差别的影响,在一定程度、电解液密度等差别的影响,在一定程度上增加了电池电压、内阻及容量等参数不一致。

  那么,BMS均衡的目的就是延长电池组的使用寿命。

  均衡方法介绍

  一、被动均衡

  被动均衡分为硬件方案和软件方案

  1. 被动式硬件方案介绍

  充电末端均衡,均衡电流55mA,没有压差比较,单体电池到达某个点后开启均衡。

  例如1oS三元电池,单体到达4.19V后开启单通道放电。

  2. 被动式软件方案均衡

  

  启动均衡条件:有单体最高电压值,单体最高最低压差比较,有对比选择性的均衡。

  例如1oS电池中,先采集单体电压,计算最高最低压差,当压差大于50mV,且单体最高大于3.8V时启动均衡,此时只要是单体大于3.8V时启动均衡,此时只要是单体大于3.8V且比单体最低高50mV即开启单通道均衡(开启并联电阻放电)。

  二、主动均衡

  主动式无损均衡根据能量的流动方式分为集中式和分散式

  集中式均衡方法就是从整组电池获取能量,然后通过电能转换装置向能量少的电池补充电量;

  分散式的均衡方法就是在相邻的电池之间存在一个储能环节,这个储能环节可以是电感也可以是电容,这样就可以让能量在相邻电池之间流动,能量多的电池就可以将能量传递到能量少的电池。

  这两种方式的最终目的都可以均衡整组电池。

  

  1. 无损均衡----分散式

  分散式目前分为:电容式(飞度电容法)和储能电感式

  1.1 电容式:即通过切换电容开关,将电荷从电压高的电池转移到电压低的电池,达到均衡,达到均衡需要多次传输,且两个电池压差很小时需要很长时间均衡。

  

  每两个电池组成一个均衡单元,如上图中电池EB1和EB2组成第一个均衡单元,储能电容C1;储能电感L1、L2;开关Q1、Q2组成了均衡电路。当EB1和EB2产生不平衡时,该均衡电路在相位相反的两个方波驱动下交替开关,通过储能元件构成的能量交换通道逐次地把电压高电池的电荷搬移到电压低的电池中,直至两个电池平衡为止。

  1.2储能电感对称分布式能量转移

  充电均衡电路如图所示。电池组由多节单体电池串联而成,充电电源由大小为Ic的恒流源表示。各串联电池旁都接有均衡电路模块Mn,每一均衡模块由储能电感、开关器件及二极管组成,对称地分布于电池组的两侧。当均衡模块Mn中的开关器件Sn开通时,电池Bn对电感Ln充电储能,电感电流线性上升,当Sn关断时,电感Ln中的能量通过二极管续流到其他蓄电池中。上游电池的储能电感通过二极管续流到下游电池,下游电池的储能电感则通过二极管续流到上游电池中。各均衡电路中开关器件可同时导通,其通断由控制器输出的PWM脉冲进行控制,调节PWM占空比的大小,可有效调节能量转移速度。

  2. 无损均衡---集中式

  根据均衡器处理能量的流向分单向和双向均衡

  双向型使用双向变换器,输入输出方向动态调整。比较而言,双向型更具优势,基于均衡效率考虑,单向型均衡器,使用自组高压到单体低压的变换器,适用于放电均衡,使用自单体低压到组高压的逆变器适合充电均衡。

  2.1集中式单向均衡

  2.2集中式双向均衡

  基于变压器架构的新型主动均衡方案

  该方案采用一个反激式变压器作为核心,通过磁场和电场的转换,实现能量在单个电池单元与整个电池组间双向传递。电池充电荷放电均衡的具体过程可以用“劫富济贫”来形容。

  

  

  

  二、各均衡方案优缺点对比

  被动均衡方式

  优点:电路结构简单,成本较低

  缺点:只能做充电均衡。同时,在充电均衡过程中,多余的能量是作为热量释放掉的,使得整个系统的效率低、功耗高,均衡电流50mA

  BMS应用:电动自行车、电摩

  飞度电容方案

  优点:成本低,结构简单,主动式能量利用率高

铭江机电

  缺点:均衡效率有限,是把电容作为能量传递的载体。该方案可以实现能量在电池组任意两个单体之间的直接转移。由于均衡电流受电容电压与电池组中单体电压之差的限制,随着均衡过程的进行,均衡速度会越来越慢,量产均衡电流300mA左右。

  储能电感方案:

  优点:主动式能量利用率高,均衡效果大于电容方案,量产均衡电流5A。

  缺点:只能在相邻的两节之间转移能量

  成本偏高,结构复杂

  DC/DC单向均衡:均衡性能有限,目前量产均衡电流可以到1A。

  DC/DC双向均衡:均衡效果理想,成本高,结构复杂,适用于大型动力电池或储能站电池,目前量产均衡电流可以到5A。

  均衡方法选择

  均衡之于动力锂电池组的重要性就不再赘述,没有均衡的锂电池组就像是得不到保养的发动机,没有均衡功能的BMS只是一个数据采集器,很难称得上是管理系统。主动均衡和被动均衡都是为了消除电池组的不一致性,但两者的实现原理可谓是截然相反。因为也有人把依靠算法由BMS主动发起的均衡都定义为主动均衡,为避免歧义,这里把凡是使用电阻耗散能量的均衡都称为被动均衡,凡是通过能量转移实现的均衡都称为主动均衡。

  

  被动均衡先于主动均衡出现,因为电路简单,成本低廉至今仍被广泛使用。其原理是依照电池的电量和电压呈正相关,根据单串电池电压数据,将高电压的电池能量通过电阻放电以与低电压电池的电量保持相等状态,也有以最高电压为判据,比如三元锂电最高4.2V,凡是超过4.2V就开始放电均衡。

  因为BMS概念和产品最早是由国外提出,国外半导体厂商最先设计出专用IC,开始只是检测电压和温度,后来均衡的概念提出后,就采用了电阻放电的方法并将这个功能加入到IC中(因为这个放电控制的功能容易集成进芯片里),现在广泛应用的TI\MAXIM\LINER均有此类芯片在产,有的是将开关驱动做到芯片里,有的甚至试图将开关也做进了芯片里。从被动均衡原理及示意图中我们可以看出,如果电池组比作木桶,串接的电池就是组成木桶的板,电量低的电池是短板,电量高的就是长板,被动均衡做的工作就是“截长不补短”。电量高的电池中的能量变成热耗散掉,电能使用效率低。不仅如此,因为将电能转变成热量耗散,带来了两难的问题,这就是如果均衡电流大,热量就多,最后如何散热成为问题;如果均衡电流小,那么在大容量电池组中、电量差别大的情况下所起到的电量平衡作用效率很低,要达到平衡需要很长时间,在应用中有种隔靴搔痒的感觉。权衡利弊,所以现在被动均衡的电流一般都在百毫安(100mA)级别。

  因为被动均衡的局限,主动均衡的概念得以提出并发展。主动均衡是把高能量电池中的能量转移到低能量电池中,相当于对木板“截长补短”。因为不像被动均衡只有“截”,在如何“补”的问题上业内充分发挥了各自的优势和想象力,主动均衡的方案可谓异彩纷呈。除了飞度电容的方案(因为适用串数低,转移有局限性而未能成为主流),还有变压器的方案,变压器方案中又有各种拓扑结构。半导体厂家也设计了电池专用的DCDC转换芯片,命名为主动均衡控制芯片来推向市场,显然是不想错过这班车。

  主动均衡带来的好处显而易见:效率高,能量被转移,损耗只是变压器线圈损耗,占比小;均衡电流可以设计的大,达到几安甚至10A级别,均衡见效快。虽然有这些好处,主动均衡也带来了新的问题。首先是结构复杂,尤其是变压器方案。几十串甚至上百串电池需要的开关矩阵如何设计,驱动要怎么控制,这都是令人头痛的问题,所以这也是为什么至今主动均衡功能无法完全集成进专用IC的原因,半导体厂家一直希望能做出大一统的芯片,但在BMS上实在是力有不逮。对BMS整机厂家也是如此,主动均衡电路结构方面,少有厂家的设计可以令人耳目一新,击节叫好。其次是成本问题,复杂的结构必然带来复杂的电路,成本与故障率上升是必然的,现在有主动均衡功能的BMS售价会高出被动均衡的很多,这也多少限制了主动均衡BMS的推广。

  因为两种均衡功能各有利弊,本来主动均衡功能是可以替代被动均衡功能的,但因为结构复杂成本高,而且结构复杂之后故障率也会高而与被动均衡处于胶着状态,业内人士常为了哪种均衡更好争论不休。特斯拉的BMS均衡功能(被动均衡,见下图中Cell 佛山市顺德区铭江机电有限公司 balancing circuit中所指均为放电电阻)经常被示范以证明被动均衡强于主动均衡。其实这反而证明了任何技术选择都要和整体条件适用的道理。特斯拉的电池是松下提供的特制的18650锂电池,本身一致性非常好,而且在寿命期间一致性差异扩大有限,用被动均衡就足够了。不像我国从电池原材料到生产工艺还有待提高,电池一致性离散程度还比较大,主动均衡在动力型锂电池组应用中会更适合。

  被动均衡适合于小容量、低串数的锂电池组应用,主动均衡适用于高串数、大容量的动力型锂电池组应用。对BMS来讲,除了均衡功能非常重要,背后的均衡策略更为重要。在电池单体的一致性差异在一定范围内时,电池的电量和电压成正相关;但是当电池的一致性差的远,也就是有电池处于受损状态时,电量和电压相关性就没那么强了,这时的均衡依据,就不能单以电压这一数据来判断。如果意识不到有电池损坏到临界状态以下,依然根据电压均衡,反而会对电池造成伤害,尤其是主动均衡,因其电流大造成的伤害会比被动均衡更大。

  无论是主动均衡还是被动均衡,都有其应用价值。均衡技术也不是神一样的存在。BMS整体的设计和与整车的搭配才是关键。同时,两种BMS均衡方法利弊明显,存在争议主要是国内外使用哪种方式更为合理的问题。但是还是得看电池的特性,单体一致性很强的情况下,小容量的电池组更适合被动均衡。大容量的动力电池如果一致性方面一般,采用主动均衡则更能适应使用要求。

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