航芯技術(shù)分享 | BMS專(zhuān)題之電池均衡如何提高電池壽命

發(fā)布時(shí)間:2022-02-17

隨著(zhù)新能源及電動(dòng)汽車(chē)的迅速發(fā)展，能量密度比更高的鋰電池得到了更多運用，而鋰電池串聯(lián)使用過(guò)程中，為了保證電池電壓的一致性，必然會(huì )用到BMS來(lái)提升電池的使用性能和使用壽命。

上海航芯通用MCU ACM32F0系列以其低功耗+1路CAN+10萬(wàn)次擦寫(xiě)128K 片上Flash+125度高溫支持；ACM32F4系列以其180MHz M33內核+Flash加速+10萬(wàn)次擦寫(xiě)512K片上Flash+2路CAN+125度高溫支持，被廣泛應用到BMS場(chǎng)景中。BMS的主要功能包括：電量管理、電壓檢測、電池均衡等。

電池均衡概述

電池均衡是通過(guò)對多節串聯(lián)電池進(jìn)行容量最大化處理，確保各個(gè)電池單元能量可用，以此來(lái)延長(cháng)電池使用壽命的技術(shù)。電池均衡是指在一個(gè)系列電池組中對不同的電池使用差動(dòng)電流。電池均衡器是電池管理系統中的一種功能組件，用于執行鋰電池電動(dòng)汽車(chē)和ESS應用中常見(jiàn)的電池均衡。

通常，電池組的各個(gè)單元具有不同的容量，并且處于不同的SOC水平（SoC是指個(gè)別電池隨著(zhù)充電和放電，相對于其最大容量的剩余容量）。如果沒(méi)有重新分配，當容量最低的電池被放空時(shí)，放電必須停止，即使其他電池仍未被放空，這限制了電池組的能量輸送能力。而平衡的電池是指一個(gè)電池組中的每節電池都具備相同的電荷狀態(tài) (SoC)。

在均衡的過(guò)程中，較高容量的電池經(jīng)歷了一個(gè)完整的充電/放電循環(huán)。如果沒(méi)有電池均衡，容量最低的電池就是一個(gè)薄弱點(diǎn)，即使其他電池單元仍有許多電量剩余，整個(gè)電池組也只能在其最弱的電池單元完全放電之后才能充電。因此，對各電池單元進(jìn)行平衡可以更大限度地提高電池組的容量，并確保其中所有能量均可利用，從而提高電池壽命。除了更大限度提高電池容量外，電池平衡功能還可防止電池單元過(guò)充和過(guò)放，從而確保電池安全運行。電池均衡是BMS的核心功能之一，此外還有溫度監控、充電，以及其他有助于延長(cháng)電池組壽命的功能。

電池均衡的必要性

當您需要將多個(gè)電池合在一起為設備供電時(shí)，則需要進(jìn)行電池均衡。因為電池單元較為脆弱，如果充電或放電過(guò)多，就會(huì )死亡或損壞。對于具有不同SoC的電池，并開(kāi)始使用它們時(shí)，它們的電壓開(kāi)始下降，直到其中存儲的能量最少的電池達到電池的放電截止電壓。那時(shí)，如果能量繼續流經(jīng)電池，它就會(huì )受到無(wú)法修復的損壞。如果嘗試將這組電池充電到正確的組合電壓，健康的電池會(huì )過(guò)度充電并因此受到損壞，因為它們將要吸收已經(jīng)損壞的電池不再能夠存儲的能量。不均衡的鋰電池在第一次嘗試使用時(shí)就會(huì )損壞，這就是為什么需要電池均衡。

電池均衡的其他原因包括：

熱失控

電池，尤其是鋰電池，對過(guò)充和過(guò)放非常敏感。當內部熱量的產(chǎn)生速度超過(guò)散失速度，就會(huì )導致熱失控。溫度升高會(huì )導致鋰電池結構變化并在電極上形成表面膜，使鋰電池衰減速度更快。另外，積熱過(guò)多可能會(huì )導致電池平衡開(kāi)關(guān)和電阻的損壞。通過(guò)使用電池均衡，電池組中的每個(gè)無(wú)缺陷電池應均衡到與其他無(wú)缺陷電池相同的相對容量。由于熱量是導致熱失控的主要因素之一，因此，除電池均衡器以外，還可以使用冷卻系統，保持電池組處于室溫環(huán)境，最大化的減少熱量留存。

電池老化

當鋰電池被過(guò)度充電，甚至略高于其推薦值時(shí)，電池的能量容量、效率、生命周期都會(huì )降低。電池老化主要是由以下原因引起的：

1. 袋型電池中電極的機械退化或堆壓損失。

2. 陽(yáng)極上固體電解質(zhì)界面（SEI）的增長(cháng)。當充電電壓保持在3.92v/cell以下時(shí)，SEI被視為大多數基于石墨的鋰電池容量損失的原因。

3. 在正極形成電解質(zhì)氧化 (EO)，可能導致容量突然損失。

4. 由高充電率產(chǎn)生的陽(yáng)極表面的鍍鋰。

電池組的不完全充電

電池以0.5到1.0倍率的恒定電流充電，電池電壓隨著(zhù)充電的進(jìn)行而上升，充滿(mǎn)電后達到峰值，然后下降?？紤]三個(gè)分別具有77Ah、77Ah和76Ah且100% SoC的電池，然后所有電池都被放電，并且SoC下降。很快能發(fā)現3號電池會(huì )首先耗盡能量，因為它的容量最低。

當給電池組通電，相同的電流流過(guò)電池時(shí)，電池3在充電過(guò)程中再次滯后，可以認為是完全充電，因為其他兩個(gè)電池已完全充電。這意味著(zhù)由于電池的自熱導致電池不均衡，電池3的庫侖效率 (CE) 較低。

電池組能量的不完全使用

消耗超過(guò)電池設計容量的電流或使電池短路，最可能導致電池過(guò)早失效。在對電池組放電時(shí)，較弱的電池比健康電池放電更快，它們比其他電池更快達到最低電壓。在電池運行過(guò)程中，提供定期的休息時(shí)間，使電池中的化學(xué)轉換能夠保持對電流的需求。

電池均衡的類(lèi)型

主動(dòng)均衡

主動(dòng)電池均衡通常將能量從一個(gè)電池傳輸到另一個(gè)。即從高電壓/高SoC的電池轉移到低SoC的電池。主動(dòng)均衡的目的是，如果您有一組容量較低的電池，您可以通過(guò)從電池組中的一個(gè)比另一個(gè)能量更高的電池轉移能量來(lái)延長(cháng)電池組的壽命或SoC。

主動(dòng)電池均衡通過(guò)微型轉換器電路高效地將能量從高電壓的電池傳遞到低電壓的電池，避免了熱量導致的能量損耗。主動(dòng)電池均衡方法有兩種不同類(lèi)別：電荷轉移和能量轉換。電荷轉移用于主動(dòng)地將電荷從一個(gè)電池傳輸到另一個(gè)電池，以實(shí)現相等的電池電壓，能量轉換是用變壓器和電感在電池組的電池之間移動(dòng)能量。

其他有源電池均衡電路通?；陔娙?、電感或變壓器以及電力電子接口，這些需要：

基于電容器

? 單個(gè)電容器，這種方法很簡(jiǎn)單，因為它使用單個(gè)電容器，而與電池中連接的電池數量無(wú)關(guān)。然而，這種方法需要大量的開(kāi)關(guān)和對開(kāi)關(guān)的智能控制。

? 多個(gè)電容器，這種方法將多個(gè)電容器連接到每個(gè)電池，通過(guò)多個(gè)電容器傳輸不相等的電池能量，它不需要電壓傳感器或閉環(huán)控制。

基于電感器或變壓器

? 單/多電感，單電感的電池均衡電路體積小，成本低，而多電感的均衡速度快，電池均衡效率高。

? 單變壓器，這種方法均衡速度快，磁損耗低。

? 多變壓器，這種電池均衡器具有快速的均衡速度，然而，它需要一個(gè)昂貴且復雜的電路來(lái)防止變壓器被淹沒(méi)。

基于電力電子接口

? 反激/正激轉換器，高壓電池的能量存儲在變壓器中，該電池均衡器具有高可靠性。

? 全橋轉換器，這種電池均衡器具有快速的均衡速度和高效率。

有源均衡器能夠將大量電流從一個(gè)電池推到另一個(gè)電池。

主動(dòng)均衡的優(yōu)點(diǎn)：

? 它提高了容量使用率，當一個(gè)系列中具有不同的電池容量時(shí)，它會(huì )表現出色。

? 它提高了能源效率，它通過(guò)將多余的能量轉移到能量較低的電池中來(lái)節省能量，而不是燃燒電池中的多余能量。

? 壽命延長(cháng)，它提高了電池的預期壽命。

? 快速均衡。

主動(dòng)均衡的缺點(diǎn)：

? 當能量從一個(gè)電池轉移到另一個(gè)電池時(shí)，大約會(huì )損失10-20%的能量。

? 電荷只能從高位電池轉移到低位電池。

? 盡管有源電池均衡器具有較高的能量效率，但其控制算法可能很復雜，并且其生產(chǎn)成本昂貴，因為每個(gè)電池都應與額外的電力電子接口連接。

被動(dòng)均衡

通常把能量消耗型均衡定義為被動(dòng)均衡，被動(dòng)均衡運用電阻，將高電壓或高電荷量電芯的能量消耗掉，以達到減小不同電芯之間差距的目的，是一種能量消耗性均衡。如果將電池串聯(lián)在一起，并且某些電池的能量高于其他能量較低的電池，可以通過(guò)在電池上連接一個(gè)電阻來(lái)均衡頂部電池的燃燒能量，從而將能量釋放到熱量，以此來(lái)均衡電池組的能量。

被動(dòng)均衡可使所有電池看起來(lái)具有相同的容量。有兩種不同類(lèi)別的無(wú)源電池均衡方法：固定分流電阻和開(kāi)關(guān)分流電阻。

固定分流電阻電路通常連接到固定分流器，以防止其被過(guò)度充電。在電阻器的幫助下，無(wú)源均衡電路可以控制每個(gè)電池電壓的極限值，而不會(huì )損壞電池。這些電阻器為均衡電池而消耗的能量可能會(huì )導致BMS的熱損失。因此，這證明固定分流電阻器方法是一種低效的電池均衡電路。

開(kāi)關(guān)分流電阻電池均衡電路是目前電池均衡中最常用的方法。該方法有連續模式和感應模式，在連續模式下，所有開(kāi)關(guān)都被控制在同一時(shí)間開(kāi)啟或關(guān)閉。在感應模式下，每個(gè)電池都需要一個(gè)實(shí)時(shí)電壓傳感器。該電池均衡電路通過(guò)均衡電阻消耗了高能量。這種電池均衡電路適用于在充電或放電時(shí)需要低電流的電池系統。

被動(dòng)均衡的優(yōu)點(diǎn)：

? 不必主動(dòng)平衡電池組也依然能完美的工作。

? 電池單元在沒(méi)有電量時(shí)不會(huì )有任何損耗，一旦電池充滿(mǎn)，僅會(huì )在其有足夠額能量時(shí)進(jìn)行均衡操作。

? 它會(huì )讓所有電池單元具有相同的SoC。

? 它提供了一種低成本的電池均衡方法。

? 它可以糾正電池與電池之間自放電電流的長(cháng)期失配情況。

被動(dòng)均衡的缺點(diǎn)：

? 熱管理不良。

? 它們在滿(mǎn)SoC時(shí)不會(huì )進(jìn)行均衡。僅在每個(gè)單元的頂部以95%左右保持均衡，這是因為電池容量不同時(shí)，會(huì )被強制燃燒掉多余的能量。

? 它的能量傳輸效率通常很低。電能在電阻器中以熱量的形式耗散，電路也造成了開(kāi)關(guān)損耗，換句話(huà)說(shuō)，被動(dòng)均衡電路會(huì )導致大量的能量損失。

? 它不會(huì )提高電池供電系統的運行時(shí)間。

上?？臻g電源研究所Wangbin Zhao提供的例子

多繞組變壓器的主動(dòng)均衡電路分為功率模塊和控制模塊。電源模塊由電池單元、均衡變壓器和開(kāi)關(guān)晶體管（MOSFET）組成。同時(shí)，模塊也可以根據實(shí)際需要進(jìn)行擴展。每節電池通過(guò)MOSFET與電池組串聯(lián)，采用固定占空比的周期信號控制對電壓較高的電池進(jìn)行放電?？刂颇K包括FPGA控制單元、AD采樣單元。每個(gè)電池電壓信號通過(guò)一階低通濾波器進(jìn)入AD采樣。將所有電池電壓的AD采樣信號處理后送到FPGA中，利用FPGA內部的均衡算法實(shí)現電池組的均衡控制。MOSFET的開(kāi)關(guān)周期與均衡變壓器峰值電流的關(guān)系如下：

TS – 切換周期；
TON – MOSFET的開(kāi)啟時(shí)間；
TOFF – MOSFET的關(guān)斷時(shí)間；
Lpri – 初級磁化電感；
Ipri-peak – 初級峰值電流；
Ubat – 單節電池電壓；
Lsec – 第二磁化電感；
Isec – peak-次峰電流；
UOFF – 電池組總電壓；

均衡變壓器的設計關(guān)系到均衡電路的工作性能。因此，必須正確設計變壓器參數。在電池組充電過(guò)程中，一旦主動(dòng)均衡電路檢測到某個(gè)電芯的電壓過(guò)高，就會(huì )啟動(dòng)相應的均衡開(kāi)關(guān)為該電芯放電。均衡變壓器初級側的平均放電電流為：

同理，可以得到均衡變壓器二次電池的平均充電電流為：

N——串聯(lián)電池的數量；

k——變壓器初級和次級的匝數比；

分析方程（1）到（3），得出結論，在固定占空比控制方法下，均衡平均電流僅與變壓器初級和次級繞組的匝數比、電池數量和電流峰值有關(guān)。

電池組所需的均衡電流是多少？

均衡電池是指在某些SoC上，所有電池都完全處于相同的SoC。均衡電池所需的電流取決于電池失衡的原因。它分為2類(lèi)：總均衡、維護均衡。

總均衡

如果電池組在制造或維修時(shí)沒(méi)有考慮到單個(gè)電池的初始SoC，平衡器可能會(huì )被期望完成總的平衡工作。在這種情況下，平衡電池組所需的最大時(shí)間長(cháng)度取決于電池組的大小和平衡電流。所需的均衡電流與電池組的大小成正比，與所需的均衡時(shí)間成反比：

均衡電流 [A] = 包裝尺寸 [Ah] / 總均衡時(shí)間 [小時(shí)]

對于一個(gè)100Ah有空有滿(mǎn)的電池組來(lái)說(shuō)，均衡電流為1A的BMS需要將近一周的時(shí)間來(lái)進(jìn)行均衡。而一個(gè)均衡電流為10 mA BMS無(wú)法在其使用壽命內均衡 一個(gè)1000 Ah的電池組?；蛘哒f(shuō)，如果希望BMS在合理的時(shí)間內均衡一個(gè)大容量且極不均衡的電池組，則需要它提供一個(gè)相對較高的均衡電流。

維護均衡

如果一個(gè)電池組開(kāi)始時(shí)是均衡的，那么保持均衡將變得容易。如果所有電池的自放電泄漏相同，則不需要均衡；電池的SoC緩慢下降完全相同，因此電池組保持均衡。如果電池組中有一個(gè)電池單元其自放電泄漏電流為1mA或更多而其他電池單元的泄漏電流相同，則BMS從所有其他電池平均取1mA 或僅對該電池增加1mA，這被認為是平均均衡電流。

在很多應用中，BMS除了不斷地漏電放電外，還無(wú)法做到無(wú)限均衡。因此，均衡電流必須更高，與BMS均衡電池組可用的時(shí)間成反比。

例如：

如果BMS可以持續均衡，均衡電流可以是1mA，而如果BMS每天只能均衡1小時(shí)，均衡電流應該是24mA，才能達到1mA的平均值。

更重要的是，如果BMS可以運行比所需最小值更多的均衡電流，則BMS可以：

? 保持均衡始終開(kāi)啟，但降低其值以匹配電池自放電泄漏增量。

? 通過(guò)占空比打開(kāi)和關(guān)閉均衡，平均而言，電流與電池的漏電流增量相匹配。

所需的均衡電流與泄漏電流的差和可用于均衡的時(shí)間百分比成正比：

均衡電流 [A] = (最大漏電流 [A] – 最小漏電流 [A]) / (每日均衡時(shí)間 [小時(shí)] / 24 [小時(shí)])

均衡電流是均衡器對滿(mǎn)電量電池進(jìn)行分流時(shí)的電流量，以求可同時(shí)繼續允許相同的電流流入非滿(mǎn)電池。正確的量取決于想要多快結束均衡。

結論

均衡補償單個(gè)電池的SoC，而不是容量不均衡。電池組均衡的好處是，如果電池組在工廠(chǎng)均衡，BMS只需要處理均衡電流。這對于構建已經(jīng)均衡的電池組更有意義，無(wú)需使用可以執行總均衡的BMS。

為了最大限度地減少電池電壓漂移的影響，必須適當調節不均衡。任何均衡方案的目標都是讓電池組以預期的性能水平運行并延長(cháng)其有用容量。對于希望最小化成本并糾正電池之間自放電電流的長(cháng)期失配的客戶(hù)，被動(dòng)均衡是最佳選擇。

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