BMS均衡设计，有效延长电池使用寿命

什么是电池衰减？

电池的衰减一般分为两类,一类是电池内部因化学物质的损失导致的不可逆衰减,也称作电池老化,而当气候温度变化或者电池电芯不一致时导致电池性能和续航里程下降,我们称之为可逆衰减,既然衰减“可逆”,就有办法延缓或恢复,其中气候温度变化可以通过恒温控制解决,“电芯不一致”的状况这时候就要有BMS(电池管理系统)来为电池电芯“妙手回春”,其中很重要的“治疗过程”就是“电池均衡”或称之为电池均衡修复。

电池电芯的各种状态?

新能源汽车的电池包通常由许多个电芯所组成考察电芯有两个关键指标:一个是电芯容量,可以看做一个碗的容量,一个是电芯荷电状态(即俗称的剩余电量,以下简称SOC)可以看做碗里盛水的含量例如,50mL的碗里盛了25mL的水时此时的SOC就是50%,电池包下线出厂时所有电芯的容量和SOC基本一致,只有在这种状态下所有电芯才能同步充满和放空步调整齐,一致性好,一般存储或出厂的SOC保持在10～20%左右。

电池储存或出厂时,SOC在10%～20%左右 

但随着使用年限和充电次数的增加,电池内部不可避免的出现变化每个电芯的容量或者SOC都会产生参差不齐的现象,根据木桶原理,一个平放的木桶它能装的水量是由最短板,决定的电池包的容量也是如此。

木桶短板效应示意

所有电芯都是同步充放电的在电芯容量或SOC不一致的情况下,只要有一个电芯充满或放空其他电芯便不能再继续充放电,因为如果继续充放电会导致容量偏小的电芯出现过充过放现象,轻则导致电芯内部锂离子变为锂单质析出导致电芯内部结构破坏,降低电池包的寿命,重则可能引发电芯起火等危险事件,因此那颗最小容量或SOC的电芯相当于电池内部的“最短木板”,它导致了电池包内存储的总能量减少缩短了可用的续航里程这就是电池包内部的“木桶原理”

电池充点截止(容量最小电芯充满就自动保护) 

电芯间出现差异的原因是什么?

俗话说,想治病先诊断搞清“病因”很重要电芯间的差异一般有三种:

① SOC一致,容量不一致

这种状态就类似碗的边缘有了缺口原本能装50ml水,但现在只能装40ml,否则就会从缺口漏出来此时,容量小的最先充满和放空是整个电池包容量的瓶颈以下图为例,充电前三节容量不同的电芯它们都处于50%,SOC即当前电量都是满电电量的一半,所以电池装配Pack满足第一个条件,容量一致性,不同容量电芯不能混合使用。

电池组SOC一致,但容量不一致 

在充入相同的电量后,容量最小的电芯达到满充状态,这时无法对电芯继续进行充电,因为如果继续充,满充电芯将会过充电长期过充甚至会导致电芯起火等危险事件

容量不一致电池,充电状态

对这些电芯进行放电时,容量最小的电芯同样首先达到放空状态,此时无法继续放电因为如继续放电,已放空的电芯将会过放电长期过放会导致电芯内部结构破坏发生危险

容量不一致电池,放电状态

② 容量一致,SOC不一致

这种状态下类似于每个碗都是完好的,但是碗内的水量不尽相同,有的当前电量是满电状态的70%,有的是50%如下图所示,容量相同的三节电芯SOC当前电量与满电电量占比不一样,所以电池装配Pack满足第二个条件,SOC一致性,不同SOC电芯不能混合使用(当然也可以通过均衡设备修复SOC一致性)。

电池容量一致,SOC不同 

SOC最高的电芯最先充满,SOC最低电芯最先放空,而且此时只能停止充放电以避免过充和过放行为,发生SOC的电芯是整个电池包容量的瓶颈

电池容量一直,SOC不一致,充放电瓶颈

③ 容量和SOC都不一致

实际的用车场景往往更复杂,电芯的容量和SOC都可能不一致,这类似于有的碗有缺口有的碗没有缺口,有缺口的碗的缺口大小还不一致同时,每个碗里的水量也不一样,这时无法再简单地将电芯当前的容量或者SOC作为评判标准,这对均衡逻辑判断及控制模块提出了较高的要求

实际用车场景后的电池状态,容量与SOC更复杂

电池均衡如何工作?

电芯外部能够实时测量的变量有三个,电压,电流与温度将变量信息引入算法即可得到每节电芯的SOC值及此时电芯的可用容量,并以此综合判断电芯间的不一致状态来决定电池包是否需要进入均衡状态,电池均衡技术主要分为两种被动均衡与主动均衡

电池与BMS板接线示意图 

被动均衡

又称为能量耗散式均衡,工作原理是在每节电芯上并联一个电阻,当某个电芯已经提前充满,而又需要继续给其它电芯充电时接上电阻,对其进行放电把多余的能量耗散掉

被动均衡电路设计

其优点是结构简单,布局成本低硬件实现简单等,在电动汽车上广泛应用缺点是多余的能量直接转化为热量散发能量使用效率低(被动均衡电流通常在1A以下),对电路稳定性有影响因此,对被动均衡电路来说一个优秀可靠的均衡控制策略就显得尤为重要。

主动均衡

又称非能量耗散式均衡,其原理为将能量高的电芯内的能量转移到能量低的电芯中去,比如说这个碗里装不下东西时把部分东西贡献转移到没有填满的碗

主动均衡在充放电示意图

主动均衡电路的优势在于能量损耗较小,但是其回路成本高,拓扑结构复杂而且电容和电感的体积大会导致空间需求大等,因此如何攻破主动均衡在结构硬件上的难题是目前各BMS研发团队的研究重点之一。

主动均衡电路设计 

不论是主动均衡还是被动均衡都是如何让每个碗都尽量的多装水,同时也可以将碗内的水都尽量放空是电池均衡策略设计的最终目标。

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。与其说哪种均衡技术更好,不如说这背后需要采用的策略更为重要。