“均衡”技術(shù)因電池串聯(lián)而生

 

電芯在系統(tǒng)中的應(yīng)用，主要是通過(guò)串聯(lián)形式，獲取高電壓，來(lái)滿足負(fù)載要求。比如說(shuō)額定48V電源的電壓，是由單體標(biāo)稱3.7V ，12~13顆單體電芯串聯(lián)而成的電壓疊加效應(yīng)。12~13顆電芯個(gè)體，因生產(chǎn)工藝的差異性，例如，生產(chǎn)日期、環(huán)境差異、極片厚度、面積、電解液加注量等等環(huán)節(jié)，是無(wú)法做到一模一樣的，只能在一定范圍內(nèi)滿足偏差要求。所以，其本征物理量的差異性，就不難理解了。但是其串聯(lián)回路，在充放電時(shí)，流過(guò)的電流是一樣的。如果使用r代表一顆電芯的內(nèi)阻,哪么，因內(nèi)阻的差異，就會(huì)導(dǎo)致單體電芯表現(xiàn)的電壓不同。當(dāng)在充電環(huán)節(jié)時(shí)，內(nèi)阻大的會(huì)提前充滿或接近上限電壓，這個(gè)時(shí)候，為了防止過(guò)充損壞或?qū)е聻?zāi)難性結(jié)果，就需要把最高的單體電壓拉下來(lái)，接近或保持在上限數(shù)值內(nèi)。這就是均衡的一種形式，也是均衡技術(shù)的原型和基礎(chǔ)。在最早2010版的leaf，就采用了這種技術(shù)。我常把它歸結(jié)為 “保護(hù)型均衡”。原因是，其主要功能還是為了防止過(guò)充。

 

 

“均衡”是實(shí)現(xiàn)單體本征特性達(dá)到或趨于一致的過(guò)程

 

或者說(shuō)，均衡是讓每個(gè)單體參數(shù)接近一組電芯的平均值。電壓是電池本征參數(shù)之一，很多時(shí)候，均衡最直接的表現(xiàn)形式，就是電壓的均衡。均衡前，串聯(lián)的電芯個(gè)體，表現(xiàn)出來(lái)就是電壓的不一致性?？s小壓差，達(dá)到規(guī)定的數(shù)值，是均衡的另一種形式，也是最終需要實(shí)現(xiàn)的功能。

 

 

 

因串聯(lián)單體差異，SOC上限只能接近100%

 

從理論上計(jì)算，單體電壓按相同值計(jì)算，其荷電狀態(tài) SOC應(yīng)為100%，U=V1×n。但是，現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中，SOC是不可能做到滿滿的。這一點(diǎn)，需要技術(shù)人員的理解，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，提出技術(shù)需求時(shí)，只能是接近100%的數(shù)值，例如，上限SOC是95%，這是合理的。這個(gè)數(shù)據(jù)的確定，需要通過(guò)電芯本體的特性、系統(tǒng)的集成水平，通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得。

 

如果是面對(duì)客戶的一些指標(biāo)，的確也有SOC 100%估值提法，比如說(shuō)在儀表顯示，但這是為了更好的讓客戶理解的一種做法。并不完全代表真實(shí)數(shù)據(jù)。

 

通過(guò)“均衡“，提升系統(tǒng)可用容量，這是怎么回事？

 

這個(gè)問(wèn)題需要從兩個(gè)方面說(shuō)起：一方面，站在充電的環(huán)節(jié)來(lái)分析，當(dāng)沒(méi)有均衡電路功能時(shí)，串聯(lián)中，某一單體電壓達(dá)到上限時(shí)，監(jiān)控電路上報(bào)后啟動(dòng)控制電路，停止繼續(xù)充電；當(dāng)具備均衡電路功能時(shí)，會(huì)即時(shí)監(jiān)控壓差和上限電壓狀態(tài)，并適時(shí)啟動(dòng)均衡功能，拉高就低。實(shí)際上，等于延長(zhǎng)了系統(tǒng)充電時(shí)間。充進(jìn)去的容量，自然要大于沒(méi)有均衡功能的電路。其本質(zhì)：通過(guò)壓差值控制、上限值控制增加了可充容量。

 

 

 

另一方面，從SOC可使用范圍說(shuō)起，當(dāng)沒(méi)有均衡功能時(shí)， SOC 兩頭的彈性區(qū)間是很“厚”的，虛值很大，為了保證安全，電池通常在20%到80%的SOC范圍內(nèi)使用，提供給負(fù)載只有60%。如果增加了均衡功能，SOC范圍完全可能從5%到95%，將可使用數(shù)值百分比增加到90%。其實(shí)，是讓電池可用部分增加了。其本質(zhì)表現(xiàn)為改變了DOD（充放電深度）。當(dāng)然了，SOC 窗口邊界數(shù)值，會(huì)因電芯不同、BMS 不同，而存在差異的。不要拘泥于案例數(shù)值。

 

所以說(shuō)，均衡功能更多的是改變了“木桶”原理最短的哪一塊板。

 

改變DOD深度，讓電池更高效

 

從上述分析，均衡電路的應(yīng)用，可以很好的拓展SOC應(yīng)用區(qū)間。假如說(shuō)，一個(gè)系統(tǒng)10KWh, 如果可以提升10%的利用率，成本、重量、能量密度的貢獻(xiàn)，都是相當(dāng)可觀的。當(dāng)然了，SOC 區(qū)間可用部分，并不完全取決于均衡，還有多種因素存在，例如:電化學(xué)因素導(dǎo)致的SOC區(qū)間緩沖區(qū)間、SOC算法估計(jì)導(dǎo)致的SOC緩沖區(qū)間等，都是可用區(qū)間變窄的原因。所以說(shuō)，電池系統(tǒng)，才有了“掐頭去尾”這么一種說(shuō)法。但是，均衡電路在其中的貢獻(xiàn)是一定存在的。需要綜合評(píng)估。我們有時(shí)評(píng)經(jīng)驗(yàn)設(shè)定下限的做法，一個(gè)臺(tái)階就是5%，10%，沒(méi)有根據(jù)電芯固有特性、環(huán)境溫度等分別標(biāo)定對(duì)待SOC邊界，做到精打細(xì)算，對(duì)于電池效率是一種很大的浪費(fèi)。

 

均衡作用不會(huì)改變電芯固有本質(zhì)

 

前面重點(diǎn)闡述均衡本質(zhì)，我們?cè)倩仡^看看，對(duì)電芯的影響程度。電芯的本征，重點(diǎn)體現(xiàn)在內(nèi)阻、電壓的變化，這是可以直接測(cè)量的，潛在對(duì)應(yīng)的是計(jì)算得出的功率和容量。在均衡功能對(duì)改善電池系統(tǒng)狀態(tài)方面，一直存在不同觀點(diǎn)和爭(zhēng)議。但是，有一點(diǎn)是可以肯定的：增加均衡功能，是無(wú)法改變電芯個(gè)體固有特性的。但是，是否可以延緩電芯性能的衰減，有待于進(jìn)一步研究和使用數(shù)據(jù)證明。所以說(shuō)，一味的把均衡功能作用夸大，是不正確的。

 

國(guó)內(nèi)外產(chǎn)品對(duì)均衡功能不同的應(yīng)用和理解

 

在分析leaf、Volt、寶馬等國(guó)外車型的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)其均衡功能，和我們理解的存在偏差：一方面從均衡硬件上，其均衡電流在100~200mA之間，這么小的電流平衡，其作用微乎其微。也有人歸結(jié)為電芯高品質(zhì)毋須大電流均衡。另一方面，在設(shè)計(jì)均衡硬件電路方面顯得非常謹(jǐn)慎，例如，采用專屬自己和產(chǎn)品的芯片，全面的散熱、間隔設(shè)計(jì)；充分的冗余設(shè)計(jì)。

 

總之，我認(rèn)為其設(shè)計(jì)的核心，還是站在系統(tǒng)安全的高度完成的。高品質(zhì)電芯，的確可以使均衡電路簡(jiǎn)化，有力的保障了系統(tǒng)的安全性、可靠性。同時(shí)，均衡本質(zhì)是在回路內(nèi)的能量?jī)?nèi)循環(huán)。故障的發(fā)生可導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。所以，切莫照顧電芯的品質(zhì)，棄安全于不顧。這樣也會(huì)誤導(dǎo)了均衡的發(fā)展方向。

 

均衡技術(shù)，不是低品質(zhì)電池的救命稻草

 

我在看到一些BMS廠家，拼命的把均衡電流放大，來(lái)迎合國(guó)內(nèi)一些低質(zhì)電池的應(yīng)用。其實(shí)，這真得不是 BMS 廠家的買(mǎi)點(diǎn)和初衷，更多的是他們的無(wú)奈，因?yàn)樗麄円驳迷趪?guó)內(nèi)市場(chǎng)存活。需要反思的：是整車廠提出得技術(shù)要求的嚴(yán)謹(jǐn)程度、電池廠家配套的電芯品質(zhì)。國(guó)內(nèi)電池與國(guó)外電池仍然存在大的差距，這是共識(shí)，所以說(shuō)，國(guó)內(nèi)電芯品質(zhì)提升已然是迫在眉睫的事情，不僅需要前段一致性做好，關(guān)鍵是后段一致性也需要過(guò)硬。再輔于高效的均衡，這才是合理的和正確的發(fā)展思路。

 

進(jìn)一步研究和探索

 

系統(tǒng)均衡，首先能保障系統(tǒng)更安全；其次是促進(jìn)可充放電容量增加。其在深充深放的EV應(yīng)用中，更能體現(xiàn)其優(yōu)勢(shì)。隨著新能源發(fā)展的深入，還有更多的技術(shù)問(wèn)題需要研究分析，例如：均衡工作點(diǎn)的最優(yōu)切入點(diǎn)；如何準(zhǔn)確捕捉判斷電池狀態(tài)；如何有效降低電池個(gè)體衰減速度等等，都是需要不斷解決的問(wèn)題。

 

來(lái)源：第一電動(dòng)網(wǎng)

 

 

推薦閱讀：