航芯技術(shù)分享 | BMS專題之電池均衡如何提高電池壽命

發(fā)布時間:2022-02-17

隨著新能源及電動汽車的迅速發(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)使用過程中，為了保證電池電壓的一致性，必然會用到BMS來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+10萬次擦寫128K 片上Flash+125度高溫支持；ACM32F4系列以其180MHz M33內(nèi)核+Flash加速+10萬次擦寫512K片上Flash+2路CAN+125度高溫支持，被廣泛應(yīng)用到BMS場景中。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

電池均衡是通過對多節(jié)串聯(lián)電池進(jìn)行容量最大化處理，確保各個電池單元能量可用，以此來延長電池使用壽命的技術(shù)。電池均衡是指在一個系列電池組中對不同的電池使用差動電流。電池均衡器是電池管理系統(tǒng)中的一種功能組件，用于執(zhí)行鋰電池電動汽車和ESS應(yīng)用中常見的電池均衡。

通常，電池組的各個單元具有不同的容量，并且處于不同的SOC水平（SoC是指個別電池隨著充電和放電，相對于其最大容量的剩余容量）。如果沒有重新分配，當(dāng)容量最低的電池被放空時，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電池組中的每節(jié)電池都具備相同的電荷狀態(tài) (SoC)。

在均衡的過程中，較高容量的電池經(jīng)歷了一個完整的充電/放電循環(huán)。如果沒有電池均衡，容量最低的電池就是一個薄弱點，即使其他電池單元仍有許多電量剩余，整個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充和過放，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(jiān)控、充電，以及其他有助于延長電池組壽命的功能。

電池均衡的必要性

當(dāng)您需要將多個電池合在一起為設(shè)備供電時，則需要進(jìn)行電池均衡。因為電池單元較為脆弱，如果充電或放電過多，就會死亡或損壞。對于具有不同SoC的電池，并開始使用它們時，它們的電壓開始下降，直到其中存儲的能量最少的電池達(dá)到電池的放電截止電壓。那時，如果能量繼續(xù)流經(jīng)電池，它就會受到無法修復(fù)的損壞。如果嘗試將這組電池充電到正確的組合電壓，健康的電池會過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就會損壞，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，對過充和過放非常敏感。當(dāng)內(nèi)部熱量的產(chǎn)生速度超過散失速度，就會導(dǎo)致熱失控。溫度升高會導(dǎo)致鋰電池結(jié)構(gòu)變化并在電極上形成表面膜，使鋰電池衰減速度更快。另外，積熱過多可能會導(dǎo)致電池平衡開關(guān)和電阻的損壞。通過使用電池均衡，電池組中的每個無缺陷電池應(yīng)均衡到與其他無缺陷電池相同的相對容量。由于熱量是導(dǎo)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(tǒng)，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(dāng)鋰電池被過度充電，甚至略高于其推薦值時，電池的能量容量、效率、生命周期都會降低。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. 陽極上固體電解質(zhì)界面（SEI）的增長。當(dāng)充電電壓保持在3.92v/cell以下時，SEI被視為大多數(shù)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(dǎo)致容量突然損失。

4. 由高充電率產(chǎn)生的陽極表面的鍍鋰。

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，電池電壓隨著充電的進(jìn)行而上升，充滿電后達(dá)到峰值，然后下降。考慮三個分別具有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(xiàn)3號電池會首先耗盡能量，因為它的容量最低。

當(dāng)給電池組通電，相同的電流流過電池時，電池3在充電過程中再次滯后，可以認(rèn)為是完全充電，因為其他兩個電池已完全充電。這意味著由于電池的自熱導(dǎo)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

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

電池均衡的類型

主動均衡

主動電池均衡通常將能量從一個電池傳輸?shù)搅硪粋€。即從高電壓/高SoC的電池轉(zhuǎn)移到低SoC的電池。主動均衡的目的是，如果您有一組容量較低的電池，您可以通過從電池組中的一個比另一個能量更高的電池轉(zhuǎn)移能量來延長電池組的壽命或SoC。

主動電池均衡通過微型轉(zhuǎn)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(dǎo)致的能量損耗。主動電池均衡方法有兩種不同類別：電荷轉(zhuǎn)移和能量轉(zhuǎn)換。電荷轉(zhuǎn)移用于主動地將電荷從一個電池傳輸?shù)搅硪粋€電池，以實現(xiàn)相等的電池電壓，能量轉(zhuǎn)換是用變壓器和電感在電池組的電池之間移動能量。

其他有源電池均衡電路通常基于電容、電感或變壓器以及電力電子接口，這些需要：

基于電容器

? 單個電容器，這種方法很簡單，因為它使用單個電容器，而與電池中連接的電池數(shù)量無關(guān)。然而，這種方法需要大量的開關(guān)和對開關(guān)的智能控制。

? 多個電容器，這種方法將多個電容器連接到每個電池，通過多個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，它需要一個昂貴且復(fù)雜的電路來防止變壓器被淹沒。

基于電力電子接口

? 反激/正激轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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?qū)⒋罅侩娏鲝囊粋€電池推到另一個電池。

主動均衡的優(yōu)點：

? 它提高了容量使用率，當(dāng)一個系列中具有不同的電池容量時，它會表現(xiàn)出色。

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

? 壽命延長，它提高了電池的預(yù)期壽命。

? 快速均衡。

主動均衡的缺點：

? 當(dāng)能量從一個電池轉(zhuǎn)移到另一個電池時，大約會損失10-20%的能量。

? 電荷只能從高位電池轉(zhuǎn)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(fù)雜，并且其生產(chǎn)成本昂貴，因為每個電池都應(yīng)與額外的電力電子接口連接。

被動均衡

通常把能量消耗型均衡定義為被動均衡，被動均衡運用電阻，將高電壓或高電荷量電芯的能量消耗掉，以達(dá)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，可以通過在電池上連接一個電阻來均衡頂部電池的燃燒能量，從而將能量釋放到熱量，以此來均衡電池組的能量。

被動均衡可使所有電池看起來具有相同的容量。有兩種不同類別的無源電池均衡方法：固定分流電阻和開關(guān)分流電阻。

固定分流電阻電路通常連接到固定分流器，以防止其被過度充電。在電阻器的幫助下，無源均衡電路可以控制每個電池電壓的極限值，而不會損壞電池。這些電阻器為均衡電池而消耗的能量可能會導(dǎo)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(xù)模式和感應(yīng)模式，在連續(xù)模式下，所有開關(guān)都被控制在同一時間開啟或關(guān)閉。在感應(yīng)模式下，每個電池都需要一個實時電壓傳感器。該電池均衡電路通過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需要低電流的電池系統(tǒng)。

被動均衡的優(yōu)點：

? 不必主動平衡電池組也依然能完美的工作。

? 電池單元在沒有電量時不會有任何損耗，一旦電池充滿，僅會在其有足夠額能量時進(jìn)行均衡操作。

? 它會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期失配情況。

被動均衡的缺點：

? 熱管理不良。

? 它們在滿SoC時不會進(jìn)行均衡。僅在每個單元的頂部以95%左右保持均衡，這是因為電池容量不同時，會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，電路也造成了開關(guān)損耗，換句話說，被動均衡電路會導(dǎo)致大量的能量損失。

? 它不會提高電池供電系統(tǒng)的運行時間。

上海空間電源研究所Wangbin Zhao提供的例子

多繞組變壓器的主動均衡電路分為功率模塊和控制模塊。電源模塊由電池單元、均衡變壓器和開關(guān)晶體管（MOSFET）組成。同時，模塊也可以根據(jù)實際需要進(jìn)行擴展。每節(jié)電池通過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。每個電池電壓信號通過一階低通濾波器進(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(nèi)部的均衡算法實現(xiàn)電池組的均衡控制。MOSFET的開關(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的開啟時間；
TOFF – MOSFET的關(guān)斷時間；
Lpri – 初級磁化電感；
Ipri-peak – 初級峰值電流；
Ubat – 單節(jié)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(shè)計關(guān)系到均衡電路的工作性能。因此，必須正確設(shè)計變壓器參數(shù)。在電池組充電過程中，一旦主動均衡電路檢測到某個電芯的電壓過高，就會啟動相應(yīng)的均衡開關(guān)為該電芯放電。均衡變壓器初級側(cè)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(shù)量；

k——變壓器初級和次級的匝數(shù)比；

分析方程（1）到（3），得出結(jié)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(shù)比、電池數(shù)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：總均衡、維護(hù)均衡。

總均衡

如果電池組在制造或維修時沒有考慮到單個電池的初始SoC，平衡器可能會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間長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，與所需的均衡時間成反比：

均衡電流 [A] = 包裝尺寸 [Ah] / 總均衡時間 [小時]

對于一個100Ah有空有滿的電池組來說，均衡電流為1A的BMS需要將近一周的時間來進(jìn)行均衡。而一個均衡電流為10 mA BMS無法在其使用壽命內(nèi)均衡 一個1000 Ah的電池組。或者說，如果希望BMS在合理的時間內(nèi)均衡一個大容量且極不均衡的電池組，則需要它提供一個相對較高的均衡電流。

維護(hù)均衡

如果一個電池組開始時是均衡的，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(rèn)為是平均均衡電流。

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

例如：

如果BMS可以持續(xù)均衡，均衡電流可以是1mA，而如果BMS每天只能均衡1小時，均衡電流應(yīng)該是24mA，才能達(dá)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：

? 保持均衡始終開啟，但降低其值以匹配電池自放電泄漏增量。

? 通過占空比打開和關(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]) / (每日均衡時間 [小時] / 24 [小時])

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

結(jié)論

均衡補償單個電池的SoC，而不是容量不均衡。電池組均衡的好處是，如果電池組在工廠均衡，BMS只需要處理均衡電流。這對于構(gòu)建已經(jīng)均衡的電池組更有意義，無需使用可以執(zhí)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(dāng)調(diào)節(jié)不均衡。任何均衡方案的目標(biāo)都是讓電池組以預(yù)期的性能水平運行并延長其有用容量。對于希望最小化成本并糾正電池之間自放電電流的長期失配的客戶，被動均衡是最佳選擇。

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