动力电池系统介绍（十二）——均衡功能
动力电池系统介绍（十二）
- 一、均衡背景介绍
- 1.1 不一致性的来源
- 1.2 不一致性的影响
- 二、均衡技术介绍
- 2.1 被动均衡
- 2.1.1 被动均衡原理
- 2.1.2 被动均衡应用
- （一）、使用芯片内部的MOSFETs
- （二）、 使用外部电阻器
- （三）、 被动均衡电阻阻值计算
- 2.2 主动均衡
- 2.2.1 主动均衡原理
- 2.2.2 主动均衡应用
- 三、均衡测试方法
一、均衡背景介绍
为什么要对电池组实施均衡呢？归根结底，是为了尽量减小电池组的不一致性。
1.1 不一致性的来源
电池由于自身内部差异或外部使用状态不同而形成的电池容量、SOC、内阻和电压等参数不同的现象，称为电池组不一致性。
锂离子电池间的不一致性主要来源于几个方面：
1、生产制造时工艺上的差别和材质的不均，造成电池两极材料的活化程度和厚度、隔板等存在细微的差别，使得内部结构和材质不完全一致；
2、使用过程中，电池组中各个电池电解液密度、温度、自放电程度等的差别也会造成不一致。
3、随着时间的累积，电池不一致性越来越大。
1.2 不一致性的影响
不一致性主要影响以下几个方面：
- 降低整体容量性能
- 缩短电池使用寿命
- 限制整体充放电功率
- 影响电池安全性能
有实验表明，在使用不一致性较大的电池组时电压波动明显，功率性能有所下降，同时电池组之间的差异进一步加剧，电池利用率和电池寿命会随着差异性的增大而减少。因此，在发现电池有差异时，应当进行处理，以减小不一致性对电池造成的影响，避免形成恶性循环。电池不一致性无法完全消除，但可以通过电池均衡技术使其尽量减小。
二、均衡技术介绍
动力电池均衡（Cell Balancing）分为两种：被动均衡（Passive Balancing）与主动均衡（Active Balancing）。
2.1 被动均衡
被动均衡的优点是电路结构简单，成本较低；缺点是能量利用率低，同时会增加模组的散热。
2.1.1 被动均衡原理
如果检测到电池不均衡的情况下，被动均衡有选择性地闭合高能量的单体电池放电回路，闭合开关，通过回路中的电阻对电池组中能量较高的电芯进行放电，把偏高的能量消耗掉，以此减小电芯之间的差距最终达到均衡状态。由于这种均衡方式是被动的能量消耗，所以被称为被动均衡。
2.1.2 被动均衡应用
在LTC6811中，提到几个均衡的应用场景，可以根据不同的需求进行选择。
（一）、使用芯片内部的MOSFETs
在LTC6811的内部均衡放电回路中，内部放电开关（MOSFET）S1至S12可用于模组的被动均衡，但均衡电流应小于等于60mA，以免过热对电池造成损害。如果使用该均衡回路，应监测模具温度，具体参照芯片手册中的 Thermal Shutdown Section部分。
如果串联电池组中的一个电池过度充电，可以闭合S开关，通过电阻器来缓慢地对该电池放电。每个S开关都连接到内部N沟道MOSFET，最大导通电阻为20Ω。
如图39a所示（图片来源于芯片手册），Rdischarge为均衡放电电阻，需要根据实际应用场景去计算该阻值大小（参考下面第三点）；Rfilter是抗混叠滤波电阻，它是放电路径的一部分，因此应将其移除或减少其阻值。使用RC进行附加电池电压测量滤波是可以的，但滤波电阻必须保持较小，通常约为10Ω，以减少对平衡电流的影响。
（二）、 使用外部电阻器
当使用外部放电回路进行均衡时，外部电阻器应当按照以下b图所示与MOSFET串联，以使大部分热量在LTC6811封装外部散发。
对于需要60mA以上的均衡电流或需要大型单元滤波器的应用场景，S开关可用于控制外部晶体管，作为驱动外部MOSFET栅极的数字输出。
对于电池电压非常低的应用，图b中的PMOS可以用PNP代替。使用PNP时，应减少与基极串联的电阻。
下图显示了包括RC滤波的外部MOSFET电路。
（三）、 被动均衡电阻阻值计算
对于大多数小容量电池，一般要求均衡电路能够在5小时均衡的情况下纠正5%的SOC（充电状态）误差。例如，假设有5%SOC的误差需要均衡，如果这个电池是5Ah的电池，那么将需要消耗大约250mAh的能量。此时如果使用50mA的均衡电流进行均衡，将在5小时内纠正；采用100mA均衡电流，误差可在2.5小时内纠正。
对于大容量的电池系统，很难在短时间内使用被动均衡来纠正误差，因为均衡过程中产生的过热通常会限制均衡电流。在使用被动均衡时，可使用以下公式来确定电阻阻值。
在大容量电池系统中，如果需要更短的均衡时间，则应考虑使用主动均衡方式。
2.2 主动均衡
主动均衡的优点是均衡速度快、能量利用率高；缺点是电路较为复杂，成本较高。
2.2.1 主动均衡原理
主动均衡是将电池组中高能量电池的能量转移到低能量电池上实现能量转移式均衡，以此减小电芯之间的差距最终达到均衡状态。由于是主动式的能量转移，所以称为主动均衡。
2.2.2 主动均衡应用
主动均衡能提供更大的均衡电流。在LTC6811中，建议在均衡电流需要1A或更大的情况下优先考虑主动均衡。
主动平衡允许更高的平衡电流而不会产生过多的热量。主动平衡还允许能量回收，因为大部分平衡电流将重新分配回电池组。
LT8584可通过LTC6811控制，相关详细信息，可以参考芯片手册中的数据表和LT8584数据表中的“S Pin Pulsing Using the S Control Register Group”。
三、均衡测试方法
GB/T 38661-2020 《电动汽车用电池管理系统技术条件》5.3.9中规定——电池管理系统应具有SOC估算功能，宜具有SOP估算和均衡功能。该法规上虽然没有强制规定必须具备均衡功能，但目前的BMS系统基本都能看到。
如果BMS具备均衡功能， GB/T 38661-2020 《电动汽车用电池管理系统技术条件》推荐按照附录E进行测试：
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