摘要：随着锂离子电池作为新能源在生产生活中各个领域的广泛应用，从锂离子电池的特点及实际使用出发，相关配套的管理系统发展成为非常关键的技术。其中管理系统的均衡功能是提升锂电池使用效率的关键，本文主要对锂电池管理系统中的均衡方式提出的讨论及分析。
关键词：锂离子电池；电池管理系统；均衡功能
1 概述
锂离子电池制造工艺复杂，工序繁多，制造过程的各个工序（由于人员，机器，材料，工艺，环境等因素）都影响着电池的性能，每个工序的误差累计造成单体电池性能不一致。
2 均衡功能工作描述
目前市场上使用的多串锂电池都采用了具有均衡充电功能的的锂电池管理系统（保护板）示意图如图1所示。
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图1 锂电池组管理系统（保护板）示意图 图2 均衡电路示意图
系统中设计的均衡电路靠近电池采样部分，在每一节电芯采样线路上增加分流放电支路，电芯两端并联电阻和控制开关，形成单节电芯放电回路示意图如图2所示。
当电池组（多节电芯串联）充电时，外接电源正、负极分别和电池组正负极BAT+和BAT-两端相连，充电电流经过电池组正极BAT+、电池组中单节锂电池1～N、放电控制开关、充电控制开关、电池组负极BAT-，忽略单节电池容量差别的影响，一般内阻较小的电芯电流较大先充满电压也最高。此时，芯片采集到的相应电压信号，控制分流放电支路的开关闭合，电芯分流回路通过电阻进行放电，此时电芯的电压会下降，待电芯电压下降到和其他电芯电压平衡时（压差小于30mV）支路的开关重新打开，通过外部电流和其他电芯一起继续充电直到所有单节电池均充电进入过电压保护状态时，全部单节锂电池电压大小在误差范围内完全相等，主回路断开，即实现均衡充电，充电过程完成。
3 均衡功能主要分类
3.1 被动式放电均衡（有损均衡）
通过每一串直接并联均衡电阻和开关，开关通常为三极管或者场效应管，只要检测到电池电压或者满足均衡条件时，对应的三极管或者MOS导通，导致充电的时候高的那一串充电电流比其他串数低一点点，当停止充电后，如果满足条件会继续均衡，可以把高于均衡电压的单串电池放掉一点，然后又继续充电如此反复，最终达到电压一致性被动均衡的策略管理又细分为：
3.1.1 电压高于均衡开启电压的，都一起放到均衡开启电压，例如均衡起控点是3.5V，那么均衡完毕后所有的电池电压都是3.5V（铁锂电如果静置后电压低于3.5V的自然也拉不到3.5V，但至少保证所有串的电芯电压在均衡灯不亮时候都在3.5V以下）这种均衡是最原始、也是最简单的均衡方式，目前常用专门的均衡IC，比如宏康、MM都有相应的均衡IC或者某些集成IC自带的均衡优点：便宜、简单缺点：精度一般都在20MV左右，不论电池一致性咋样，都会拉低，而且在均衡时候由于线损也会导致检测电压略有不准，特别是在大电流均衡下，压差更大，而且均衡会产生热量，所以一般都是做在50ma的均衡电流以内，目前我司采用的是25mA左右。
3.1.2 开关导通开启均衡策略会相对复杂一点，必须满足2个条件的与才开启均衡：1）要开启的这一串电压必须高于均衡开启电压；2）最高电压的这一串和最低的这一串的压差必须大于平衡开启压差，以均衡起控点3.50V压差开启30mv为例，如果电池都是3.51、3.52，那么均衡是不会开启的，哪怕到3.61、6.62，均衡也不会开启，这样就避免了在一致性好的情况下均衡开启造成不必要的耗电及发热。这种会常见于硬件版本的4路5路IC当中，如比亚迪BM3451，罗姆5233，O28905等4串5串集成IC管理的当中，较1.1的均衡策略复杂一点，但精度也差不多。1.3前端AFE采集+MCU模式，常见于更高等级的保护板当中，也就是大家所说的BMS了，除了满足策略1.2的参数都可调以外，还提供脉冲式均衡，也就是假设1秒一个均衡脉冲，750ms用于放电，250ms是关闭后探测电压，这样的优点是检测电压精度会高，有了MCU，自然就好玩多了，可以定义非常非常多的策略，比如只在充电的时候开启，静态不开启，反之亦然或者都两种模式都可以开启均衡。
被动均衡的优点是电路设计简单，成本较低，可用于对电池一致性要求不高的场景。被动均衡同时有个最大的弊端，就是无论如何均衡，电池的容量依然遵循木桶效应原理，也就是总容量依然是根据单串最低的那一串容量走，10AH和50AH的电池串联，也是10AH的电池组，所以均衡仅仅是取到因自放电差异、内阻差异引起的一致性为主，还有就是BMS取电导致的电池不均匀的的问题有些客户说均衡电流太小，需要1A~2A均衡电流，100mA~200mA，如果是根据1.1模式去做，加大均衡电流，不外乎就是均衡开启的三极管或者MOS换个电流大一点的型号，然后均衡电阻功率用大一点的，电路上不难实现，但是难的热量的问题无法解决，假设你1A电流均衡，根据功率计算公式，P=UI，20路同时开启时候总功率是20路*4V*1A=80W，由于电池包处于一个封闭的环境下，热量无法散出，想想把一个。
3.2 主动无损式电量补偿均衡（无损均衡）
3.2.1 储能电感方式，由总压集中取电再回灌原理是从电池总压取电，通过隔离DC-DC转换成单串的电压，转换成的这单串的电压再往电压低的当中充电，所以电不会白白浪费掉。这个均衡能力取决于隔离DC-DC的电流能力和相应的开关过流能力。目前市场上常见产品可以做到2~5A。此类均衡方式也存在缺点：均衡只能在相邻的两节电芯之间进行能量转移，使用的元器件性能要求高，结构设计复杂，影响成本。
3.2.2 飞度电容法则，如果电池有123456....串数，当A和B有压差较大时候，1----电容----2中转搬运电量，如果两两相邻的不停搬运，最终的结果也是每一串的电压一样，这个取决于器件的过流，一般飞度电容法则均衡电量也都能达到1A~2A；飞度电容法则是把电容作为能量传递的载体，所以的均衡效率有限，此方案可以实现能量在电池组内部任意两颗电芯之间直接转移，由于均衡电流受到电容、电压的影响，到均衡后期电流会越来越小，均衡速度越来越慢。
4 结语
电池均衡可以在多节串联的电池组出现充电损耗或容量损耗时提高整组电池系统的可用容量，提高电池包的使用寿命，但是均衡功能并不能完全杜绝电池一致性差的现象。无论是主动均衡还是被动均衡，都有其应用价值。BMS整体的设计和整套系统的配合才是关键。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斱式更为合理的问题。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斱面一般，采用主动均衡则更能适应使用要求。
参考文献：
[1]陈洋，李荣正.电池管理系统（BMS）及其局呢个充电的方法[D].上海：上海工程科技大学，2015。
[2]谢卓，赵朋斌.一种锂电池电量监测电路设计方法[J].现代电子技术，2012。
论文作者:孙仲
论文发表刊物:《基层建设》2019年第32期
论文发表时间:2020/4/14
标签：电压论文; 电池论文; 电流论文; 电池组论文; 管理系统论文; 锂电池论文; 电芯论文; 《基层建设》2019年第32期论文;