【华冠科技•卷绕设备】雷洪钧博士观点 | 主动均衡是动力电池管理系统的高端技术 难在哪里？
摘要：主动均衡是动力电池管理系统的高端技术，难在哪里？
动力电池系统有硬件和软件两个部分组成。硬件的最小单位是电池单体，基本单位是电池模组，供应给主机厂的产品是电池箱（电池包），如图1所示。
图1组成原理一看，大家基本上就可以理解了。但是这样组织起来动力系统，还是不能满足电动汽车的供电要求的，必须配有动力电池管理系统，其道理就有一定深度了。
为什么要配动力电池管理系统？动力电池管理系统是什么？为什么特斯拉电动汽车动力电池系统比较先进？其先进在哪里？这一系列问题，要回答到位，却是难度比较大。下面试图回答，主动均衡是动力电池管理系统的高端技术，难在哪里？
一、动力电池组成电源系统，为什么要进行管理呢？
大家知道，每一个工厂、每一个社区要正常、安全地用电，原则上要配有电站。这个配电站的基本功能是进行电量分配、要分配自然要有监督，要监督自然要计量。这些功能是管理工作了。
同理，电动汽车上的电器设备比较多，用电同样有一个分配、协调、调动管理工作要做。动力电池是一个储备电能的设备，还要对其充电能，也是要予以管理的。
一句话，动力电池系统要安全、正常的供电工作，必须要进行一系列管理。将这些管理工作，交给计算机去管理，就产生了动力电池管理系统。
二、动力电池管理系统基本功能
电池管理系统主要任务是保证电池系统的设计性能，分为三个方面：a)安全性，保护电池单体或电池组免受损坏，防止出现安全事故；b)耐久性，使电池工作在可靠的安全区域内，延长电池的使用寿命；c)动力性，维持电池工作在满足车辆要求的状态下。电池管理系统，BMS（Battery Management System），是电动汽车动力电池系统的重要组成。典型的动力电池管理系统基本功能有：
1)电池参数检测
检测项目：总电压、总电流、单体电池电压、温度检测、烟雾探测、绝缘检测、碰撞检测等。
2)电池状态估计
估计项目：荷电状态（SOC）或放电深度（DOD）、健康状态（SOH）、功能状态（SOF）、能量状态（SOE）、故障及安全状态（SOS）等。
3)在线故障诊断
诊断项目：故障检测、故障类型判断、故障定位、故障信息输出等。
i)故障检测是指通过采集到的传感器信号，采用诊断算法诊断故障类型，并进行早期预警。
ⅱ)电池故障是指电池组、高压电回路、热管理等各个子系统的传感器故障、执行器故障（如接触器、风扇、泵、加热器等），以及网络故障、各种控制器软硬件故障等。
ⅲ)电池组本身故障是指过压（过充）、欠压（过放）、过电流、超高温、内短路故障、接头松动、电解液泄漏、绝缘降低等。
4)电池安全控制与报警
具体项目：包括热系统控制、高压电安全控制。防止高温、低温、过充、过放、过流、漏电等对电池和人身的损害。
5)充电控制
充电管理模块，它能够根据电池的特性、温度高低以及充电机的功率等级，控制充电机给电池进行安全充电。
6)电池均衡
电池均衡是根据单体电池信息，采用主动或被动、耗散或非耗散等均衡方式，尽可能使电池组容量接近于最小单体的容量。
7)热管理
根据电池组内温度分布信息及充放电需求，决定主动加热/散热的强度，使得电池尽可能工作在最适合的温度，充分发挥电池的性能。
8)网络通信
BMS在车辆上拆卸不方便，需要在不拆壳的情况下进行在线标定、监控、自动代码生成和在线程序下载等。
i)信息存储
用于存储关键数据，如SOC、SOH、SOF、SOE、累积充放电Ah数、故障码和一致性等。
10)电磁兼容
BMS具有好的抗电磁干扰能力，同时要求BMS对外辐射小。
要说明的是：
电池均衡是关键的核心技术，主动均衡是动力电池管理系统的高端的核心技术。
二、主动均衡是动力电池管理系统的高端技术
1)主动均衡技术相对被动均衡而言的
主动均衡法的优点有：a)主动均衡电路均衡效率高；b)充电、放电和静态过程中都做均衡；c)平衡电流大，均衡速度较快。
而主动均衡法的缺点有：a)技术复杂，成本高，实现困难;b因需频繁切换均衡电路，对锂动力电池造成的伤害大，影响锂动力电池的寿命。
于目前市面的电池管理系统，基本上采用的是被动均衡技术，采用主动均衡法的产品很少。
2)主动均衡技术原理
主动均衡技术，无论电池组在充电、放电还是放置过程中，对于锂动力电池单体之间的差异性进行主动均衡，以消除锂动力电池成组后由于自身和使用过程中产生的各种不一致性。基本原理要，利用能量转移装置将高能量锂动力电池单体的电量补充到低能量锂动力电池单体中以达到改善动力电池单体差异性。
3)主动均衡技术类别
分成削高填低型、并联均衡型两大类：
a)填低型。削高填低就是把电压高的锂动力电池单体的能量转移一部分出来，给电压低的锂动力电池单体，从而推迟最低锂动力电池单体电压触及放电截止阈值和最高锂动力电池单体电压触及充电终止阈值的时间。实施方案包括：电容式均衡、电感式均衡、变压器式均衡。
b)并联均衡型。分流充电电流，给电压低的锂动力电池单体多充电，而电压高的锂动力电池单体少充电。如图2所示。
并联均衡控制原理如下：设锂动力电池组内B4电压最高，B2电压最低，控制继电器S5、S3、Q4、Q2闭合，此时两节锂动力电池单体并联，两锂动力电池单体自动均衡，电压趋于一致。该拓扑的缺点是在锂动力电池充电过程中不能进行均衡，只能在静置时进行并联均衡。
4)主动均衡技术主要器件
a)基于开关电容的均衡电路
电容并不消耗能量，所以可以实现能量的无损转移。基于开关电容的均衡电路（如图3所示）是，在每一节锂动力电池并联一个电容，通过开关这个电容既可以并联到这节锂动力电池单体上，也可以并联到相邻锂动力电池单体。
变压器是一个存储元件其作用是在锂动力电池单体之间转移能量。基于变压器的均衡示意如图4所示。
变压器可以双向工作，可以采取两种不同的平衡方法。如果其电压低于平均值，就采用底部平衡法(bottom-balancing)，如果其电压高于平均值，就采用顶部平衡法(top-balancing)。
主动均衡理论上(原理）比较先进，而具体推广应用十分困难。
四、变压器的环式结构串联蓄电池均衡器介绍
针对现有电动汽车锂离子动力电池均衡电路结构复杂、电路耗损大、效率低的问题，下面介绍一种基于Buck-Boost及变压器的环式结构串联蓄电池均衡器，不仅可以实现能量在相邻单体电池及首尾电池之间的双向环式转移，其主要亮点的结构简单、耗损小、能量转移总的平均效率高达70.99%。
1)变压器的环式结构串联蓄电池均衡器拓扑结构
均衡电路拓扑如图5所示，B1,B2,B3…Bn为n个串联的锂离子蓄电池，均衡电路由n-1个双向Buck-Boost均衡模块和一个反激式变压器模块组成，每个双向Buck-Boost均衡模块由一个电感L，两个MOSFET管Q和两个二极管D组成。反激式变压器模块由一个变压器，两个MOSFET管Q和两个二极管D组成。 2)变压器的环式结构串联蓄电池均衡器工作原理
图5中，除了首尾电池外，每相邻的两个电池之间均有一个双向Buck-Boost均衡模块以实现能量在两个电池之间的双向转移，即能量较多的单体电池Bn通过均衡模块向能量较少的单体电池Bn-1或者Bn+1转移（n=2,3,4…n-1）。而首尾的单体电池则通过反激式变压器均衡模块实现能量的双向移动。
图6中以B1,B2电池为例，B1,B2之间的能量转移由一个双向Buck-Boost均衡电路完成。当B1的能量高于B2时，通过PWM控制MOSFET管Q1，使其导通。能量回路如①所示，B1中的能量存储在储能电感L1中。然后MOSFET管Q1断开，能量回路如②所示，存储在电感L1中的能量经过二极管D2,转移到电池B2中，从而实现了能量从高电量的电池向低电量电池的转移。
图7中，首尾电池B1,Bn之间则利用反激式变压器的隔离功能来实现能量的双向移动。当B1电池能量高于Bn时，通过PWM控制MOSFET管Q5，使其导通。能量回路如①所示，B1中的能量以磁能的形式存储在变压器的磁芯中。MOSFET管Q5断开期间，基于反激式变压器的工作原理，能量回路如②所示。
存储在变压器T中的能量由二极管Dn给Bn电池充电，从而实现能量的转移。能量在此均衡拓扑结构中流动时，无论在开关管闭合、断开期间，各个均衡模块都只有两个元器件工作。Buck-Boost均衡模块：导通期间，储能电感L和MOSFET工作；断开期间，储能电感L和二极管D工作。反激式变压器均衡模块：导通期间，变压器和MOSFET工作；断开期间，变压器和二极管D工作。因此，同时工作的均衡元器件较少，能量耗损小，转移效率高。考虑到整个均衡拓扑电路的损耗主要为MOSFET管Qn的损耗和二极管D的损耗。为了减少能量在各个元器件中流动的耗损，提高转移效率，选择了具有低导通电阻的肖特基二极管和低导通电阻的MOSFET，并尽量使其工作在低频区，以实现车载系统有限能量的最大化利用。
(说明：变压器的环式结构串联电池均衡器介绍文字和图，由武汉科技大学新能源与智能网联汽车研究所研究团队提供。)
五、主动均衡是动力电池管理系统的高端技术,难在哪里？
动力电池单体不一致性是客观的。被动均衡技术是能量消耗型，是无法满足动力电池管理上的要求。而主动均衡是技术要求高。主要原因：
①目前动力电池材料发展比较快，种类比较多，即使三元电池，其不同比例也有3-4种，主动均衡系统，必须针对电芯特性进行研发；
②目前动力电池管理系统是专用芯片，基本上也是进口的，专用芯片也更跟不上动力电池的发展速度；
③动力电池管理系统的研究，高校和研究机构研究的不多，基础理论研究也不很输深入；
④被动均衡系统还能应付市场的需要，而主动均衡系统价格比较高；
⑤主机厂对动力电池研究的工程师比较少，也提不出太多的要求；
⑥特斯拉公司对动力电池的研究，尤其在技术方面，更为优秀。特斯拉还有一个优势，其销售规模比较大。
总结：动力电池管理系统，要求应用主动均衡是一个必然趋势。一是技术进步的要求；二是电动汽车的能耗也要求越来越低；三是电动汽车推广应用规模越来越大，动力电池管理系统成本也会越来越低。
(作者介绍：雷洪钧博士，扬子江汽车集团高级工程师，工信部长风计划新能源与智能网联汽车产业专家智库特聘专家，武汉科技大学特聘的《车辆工程专业》研究生导师。)