新能源汽车电池均衡原理简介

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由于电池的原材料、零部件、制作工艺及使用微观环境的差别,在单体成组后,其电压、电量、容量、内阻、自放电率、寿命等参数都存在一定差异。参与成组的单体越多，其出现差别的可能性就越大。

电池的不一致性,主要表现为“木桶效应”,受最弱电池限制;在充电过程中,容量高的单体优先充满,在放电过程中,容量低的优先被放空,长时间的使用会造成单体差异的逐步增大,对外则呈现容量衰减,影响电池的放电容量。



为解决电池单体的不一致性，各电池企业从电芯设计、PACK设计、工艺控制、原材料控制、生产制造控制、存储控制、BMS均衡功能、售后维护等多个方面不断优化电池单体特性不一致的问题。

     

下面主要介绍BMS均衡功能，通过BMS均衡功能，可以减小各电芯单体之间的不一致性，提高电池组可用容量。目前新能源汽车主要采用的均衡方法有被动均衡（能量耗散型均衡）和主动均衡(非能量耗散型均衡、能量转移型均衡)两种。

被动均衡

被动均衡（能量耗散型均衡）是通过单体电池的并联电阻进行分流实现的，电池组中荷电状态较多的电池能量通过并联电阻消耗掉，实现与组内其他电池的均衡。被动均衡的实现示意图如下图所示。



典型的被动均衡实现如下:

在SOC高端或低端时测量各单体电池的电压，当某些单体电池的电压超过电池组平均电压时，根据压差或单体SOC差异计算预计均衡时间,然后接通这些高能电池的并联电阻，使它们的一部分能量消耗在并联电阻上,最终实现整组电池的均衡。

被动均衡方式控制逻辑简单，硬件上容易实现，成本低。但是，这种均衡方式，能量白白消耗掉，不具有节能效果；另外，电池耗能的同时会发热,在电动汽车的电池系统中,局部的过热可能会形成巨大的安全隐患。

所以被动均衡的均衡电流一般很小（一般在100mA左右），再加上均衡和采集共用一条线束，均衡和采集交替运行，均衡效率较低，需要长时间均衡才有明显效果。

主动均衡

主动均衡的硬件是均衡实现的基础。主动均衡的硬件主要有两个方面的考虑。

①硬件的可靠性。均衡电路要满足汽车级的应用要求，要降低硬件电路的失效概率，即便失效也要保证开路的失效模式而不影响电池系统的正常运行。

②均衡的拓扑结构。均衡的拓扑结构决定了均衡的实现方式，决定了能否高效地实现电池间能量的转移。高效的均衡拓扑可以实现任意两节电池间的能量转移,达到快速实现电池一致性的目的。

下图是一个典型的双向主动均衡技术示意图,该均衡电路由均衡控制器、选通开关等部分组成,每个通道可以启动一节电池的均衡,对需要均衡的单体电池进行充电均衡或者放电均衡。

经过均衡策略的判断，当某节单体电池的容量相对电池组内其他电池偏高时，控制器可以启动该单体电池对应的均衡模块对该单体电池进行放电均衡；当某节单体电池的容量相对电池组内其他电池偏低时，控制器可以启动该单体电池对应的均衡模块对该单体电池进行充电均衡,控制电池的一致性,使电池组每节电池的能力得到最充分的发挥。



被动均衡与主动均衡对比如下：