电池均衡方法及其优缺点

烧仙草

为什么要做均衡
由于电池使用工艺和材料的本身有差异，及电池实际使用过程中所处的温度、湿度等环境的不同，电池包内部的单体电池存在SOC差异，这个SOC的差异从直观上的体现就是电池的电压不同。
另外一个重要原因是由于电池自身由于极板活性物质脱落，上下极板之间的电位差，导致电池不可避免的存在一定的自放电。而且因为工艺的不同，自放电率也不一样。

假设电池包中某个电池的SOC高于其他单体，在充电过程中这节电池会率先充满，导致其他单体还没达到额定容量的时候就停止充电了；同理假设某节电池的SOC低于其他单体，则在放电过程中会首先达到放电的截止电压，从而导致其他单体还有剩余容量无法进行释放；因此可以得出一个结论——电池是有差异的。基于这个前提我们来讨论电池的均衡。所以有效的电池均衡不仅能够提高电池包的有效容量，也能在某种程度上提高电池包的寿命，因此我们必须做均衡。

一、电池均衡的定义与意义

定义：电池均衡是指通过特定的技术和方法，使电池组中的各个电池单体在电压、容量和状态上达到相对一致的状态，从而提高整个电池组的性能和寿命。

意义：提高电池组性能：通过均衡，可以避免因个别电池性能下降而导致的整个电池组性能下降。

延长电池寿命：均衡可以减少电池单体之间的电压和容量差异，降低电池内阻，从而延长电池的使用寿命。

提高安全性：均衡可以防止电池单体过充或过放，降低热失控等安全隐患的风险。

二、电池均衡的方法

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。

电池均衡主要有两种方法：

主动均衡和被动均衡。

主动均衡：

‌‌主动均衡是一种通过能量转移的方式实现电池单体之间电压均衡的技术。‌ 它通过将容量较高的单体电池中的能量转移到容量较低的单体电池中，从而实现更为精准的均衡。‌

原理：通过能量转移的方式，将容量较高的单体电池中的能量转移到容量较低的单体电池中。这种转移可以通过‌电感、电容、‌变压器等技术实现。在充电过程中，如果某个单体电池率先达到工作电压上限，‌BMS会识别出容量较低的单体电池，并通过均衡电路将能量从高压电池转移到低压电池中。

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。

优点：能量利用率高，均衡速度快，可以提高电池组的整体性能。

缺点：控制算法复杂，生产成本较高。

实现方式：包括电荷转移和能量转换两种方式。电荷转移通过微型转换器电路将能量从一个电池传输到另一个电池；能量转换则使用变压器和电感在电池组之间移动能量。

被动均衡：

原理：通过消耗能量的方式，将高电压或高容量的电池单体中的多余能量以热能的形式散失掉，从而降低其电压和容量，实现电池单体之间的均衡。

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。

优点：实现简单，成本低廉。

缺点：能量损失大，均衡速度慢，且可能产生热量导致电池组温度升高。

实现方式：包括固定分流电阻和开关分流电阻两种方式。固定分流电阻电路通常连接到固定分流器以防止电池过充；开关分流电阻电池均衡电路则通过控制开关的开启和关闭来消耗多余能量。

被动均衡与主动均衡对比如下：

三、电池均衡的过程

电池均衡是电池管理系统（BMS）中的一个重要功能，主要用于解决电池组中各个电池单体之间因性能差异而导致的电压、容量和状态不一致的问题。以下是对电池均衡的详细解释：

电池均衡的过程通常包括以下几个步骤：

检测：通过BMS检测电池组中各个电池单体的电压、电流、温度等参数。

判断：根据检测结果判断电池单体之间是否存在差异，以及差异的程度。

执行均衡：根据判断结果选择合适的均衡方法，并执行均衡操作。对于主动均衡，可能需要通过控制算法精确计算能量转移的量；对于被动均衡，则可能需要控制开关的开启和关闭时间以消耗多余能量。

监测：在均衡过程中持续监测电池单体的参数变化，确保均衡操作的有效性和安全性。

结束均衡：当电池单体之间的差异达到设定的阈值时，结束均衡操作。

四、电池均衡的注意事项

选择合适的均衡方法：根据电池组的实际情况和性能要求选择合适的均衡方法。

控制均衡速度和程度：避免均衡速度过快或程度过大导致电池单体受损或性能下降。

监测电池参数：在均衡过程中持续监测电池单体的电压、电流、温度等参数变化，确保均衡操作的安全性和有效性。

防止热量积累：对于被动均衡方法，需要采取措施防止热量积累导致电池组温度升高。

综上所述，电池均衡是电池管理系统中不可或缺的功能之一，对于提高电池组的性能和寿命具有重要意义。在实际应用中，需要根据电池组的实际情况和性能要求选择合适的均衡方法，并严格控制均衡速度和程度以确保电池单体的安全和性能。