原创 电池管理之单体均衡1

经过了三年的储备和学习，我总算对电池管理有了一些相对深入的看法和思考，在这里也把我的一些考量和笔记整理出来。谈到电池均衡，一般都谈起能够延长电池寿命的好处，这当然是正确的，不过还是需要把这个问题往实际的地方去探索和完善。

1.为什么需要电池均衡？

  简单而言，一个串联的电池包，不管你怎么去筛选，总是会出现不均衡的现象。这样在实际使用过程中，每个串联的输出容量是不一样的。

图《Cell Balancing Techniques using the example of Li-ion battery system for the opel Ampera》

   而电池，不仅有过放电和过充电的限制，而且在不同温度和不同SOC下，输入和输出的功率也存在限制。也就是说，单个电池的限制，就会影响到整个电池。

注意：这里不等于单个超限，就等于整个不安全，而是那个电池会受到损害，进行出现持久性的问题。

图 摘自《VOLTEC Battery System for Electric Vehicle with Extended Range》

  当然，最重要的是，串联在一起的电池包也遵循着马太效应，由于其负荷是一致的，越弱（自放电大、容量低、越热）的那个电池永远承受着越大的压力（Stress），那么在一个电池包内，那个电池也就老化的越快。

2.影响电池均衡的因素有哪些？

  产生不均衡的因素，在论文1《Cell Balancing Algorithm Verification through a Simulation Model for Lithium Ion Energy Storage Systems》中提到的参数框图：

图 汉化自论文1

这里的十三个影响因素被分为了五组：

1.电池包内各个单体电池之间的个体差异性（从出厂那天就具有的）

1.1 单体容量差异

1.2 单体内阻差异

1.3 单体自放电差异

     以上这三个因素，主要是由于单体在制造过程中的差异导致的。越好的制造商，能够制造出差异较小很均匀的电池，但是这几个参数还是存在一定的分布特性。

图 摘自论文1

1.4 工作时候电流差异：如上图所示的分布。

     一般测量电路（V，T）&OV/UV电路的供电，都需要直接从电池组上取电；一般可以从6～12节上取，在取电的过程之中，这个工作电流就存在了一定的差异，导致了不同部分之间，存在一定的差异了。

图 摘自Renesas《Who's in Charge -Solutions for HEV/EV Battery Cell Management》

1.5 休眠时候电流差异

     这个时候的电路差异，主要是集中在单体的输入端和均衡通路里面，如下图所示。

图 摘自某Appilcation Note

最坏的情况下，是自放电大的电池泄漏电流大，如图所示：

图5 摘自论文1

2.电池包内随着时间变化（电池包的老化）

2.1 单体容量差异

2.2 单体内阻差异

2.3 单体自放电差异

   这几个差异，在整包的下降中尤为明显：

此图摘自《Statistical Method Tools to Analyze Ageing Effects on Li-Ion Battery Performances》，类似的测试有很多

3.客户使用

3.1 充电时间

3.2 放电时间

图 摘自论文《VOLTEC Battery System for Electric Vehicle with Extended Range》

    由于均衡的时间一般相对较长，放在什么时候做均衡是个好的问题，一般对于插入式的NEV来说，有三种状态：Park、Charging和Discharge，这个时间决定了均衡的目标时间。

4.外部环境

4.1 不同温度下的自放电

4.2 不同SOC下的自放电

5.系统相互影响

BMS的工作状况，这个因素和BMS的工作状态有关系。

3.我们可以怎么样做？

   当然接下来我们需要选择均衡的方法，主要包括硬件拓扑和均衡算法两部分，在汽车行业应用中，我们还有可靠性、成本和安全等几方面的限制。

此图出自《A Review of Passive and Active Battery Balancing based on MATLAB/Simulink 》

   上述的许多方面，我们可以一一介绍，不过在汽车上面用，就如同《Cell Balancing Techniques using the example of Li-ion battery system for the opel Ampera》中分析的那样，因为本身电池就需要做界定。把钱和技术放在均衡电路&算法上，而不是加强电池质量的控制，这种选择对于想要维持10年以上的应用并保证持续稳定的性能而言，这是不可能的。