干貨動(dòng)力電池管理系統(tǒng)（BMS）的設(shè)計(jì)理念及實(shí)踐

干貨動(dòng)力電池管理系統(tǒng)（BMS）的設(shè)計(jì)理念及實(shí)踐展開(kāi)全文電池丨電機(jī)丨電控丨充電丨ICV以知識(shí)交流為基礎(chǔ)·以商務(wù)對(duì)接為核心摘要：本文旨在論述如何去正確地設(shè)計(jì)一個(gè)符合科學(xué)理念的、有效實(shí)用的動(dòng)力電池管理系統(tǒng)(BMS)，以提高電池的使用安全性、使用壽命和使用效率，降低使用成本。著重論述：1）動(dòng)力電池管理系統(tǒng)(BMS)的數(shù)據(jù)采集；2）動(dòng)力電池管理系統(tǒng)應(yīng)該具備的一些功能，以及為實(shí)現(xiàn)這些功能所采用的技術(shù)；3）各種電池管理系統(tǒng)工作原理、均衡效果和優(yōu)缺點(diǎn)。本文最后提出了既符合科學(xué)理念又能滿(mǎn)足使用要求的電池管理系統(tǒng)，應(yīng)該具備的基本內(nèi)容。一、前言作為儲(chǔ)電工具的蓄電池，即通常人們所說(shuō)的二次電池，無(wú)論是使用歷史最悠久、應(yīng)用最廣泛的鉛酸電池，還是近十幾年才發(fā)展起來(lái)的更具有發(fā)展空間的高性能鋰離子電池，在使用中最怕的就是過(guò)充電和過(guò)放電。一旦過(guò)充、過(guò)放電，電池就要損壞，容量降低，壽命減少。嚴(yán)重的情況下，還會(huì)發(fā)生爆裂和起火燃燒。尤其是鋰離子電池，通常所發(fā)生的爆燃現(xiàn)象，基本上都是由于電池過(guò)充、過(guò)放電所引起來(lái)的。因此，蓄電池在使用中，那怕是一節(jié)電池，都要進(jìn)行電池管理，都要配置電池管理系統(tǒng)。這是保障電池使用安全、使用性能和使用壽命的必不可少的措施！蓄電池在成組使用時(shí)，更容易發(fā)生過(guò)充、過(guò)放電的現(xiàn)象，其根源都在于電池的一致性誤差所引起來(lái)的。蓄電池組中的單體電池，由于電池的制造和使用條件的不同，其使用特性是存在差異的。亦即電池的電壓、容量、內(nèi)阻和自放電率，在不同溫度、不同充放電倍率、不同荷電狀態(tài)、不同使用歷程等的使用條件下，是各有差異的。而這些差異，如果在充、放電過(guò)程中沒(méi)有得到應(yīng)有的控制，將進(jìn)一步加大，導(dǎo)致部分電池發(fā)生過(guò)充、過(guò)放電現(xiàn)象，造成電池容量和壽命的急劇下降，最終引起事故的發(fā)生。這是蓄電池在使用中出現(xiàn)的難題！為此，近十幾年來(lái)，國(guó)內(nèi)外的許多專(zhuān)家學(xué)者，廣大蓄電池的制造者和使用者，都大力開(kāi)展了旨在解決電池一致性誤差所帶來(lái)危害的研究，開(kāi)發(fā)出了各種各樣的電池管理系統(tǒng)(BMS)。至今為止，筆者所見(jiàn)到的國(guó)內(nèi)外電池管理系統(tǒng)(BMS)，一般都具有高低壓、高低溫、和過(guò)流短路等多項(xiàng)常規(guī)保護(hù)功能和儲(chǔ)備電量的測(cè)量功能，有許多電池管理系統(tǒng)(BMS)還具有所謂電池的均衡功能。但是，從實(shí)際的使用效果看，很少有令人滿(mǎn)意的電池管理系統(tǒng)(BMS)。這并不是由于電子技術(shù)存在問(wèn)題，而是由于對(duì)電池管理系統(tǒng)(BMS)的理念和電池管理策略存在問(wèn)題。應(yīng)該怎樣去管理電池呢？這是多年來(lái)大家所關(guān)心的問(wèn)題。目前電動(dòng)車(chē)搞得那么紅紅火火，可電池還是那么不夠耐用，壽命短，使用成本高，而且稍不小心還會(huì)發(fā)生事故，甚至發(fā)生著火爆炸。應(yīng)該怎樣去解決這些向題呢？顯然，提高電池的質(zhì)量是關(guān)鍵，但是，正確地去設(shè)計(jì)一個(gè)合乎科學(xué)理念而又實(shí)用有效的電池管理系統(tǒng)(BMS)，也是必不可少的。不然的話(huà)，即使有很好的電池，電池還會(huì)照樣損坯。二、電池管理系統(tǒng)(BMS)的數(shù)據(jù)采集電池的電壓(V)、電池的容量(C)、電池的內(nèi)阻(R)是表征電池特性的主要參數(shù)，影響電池參數(shù)變化的主要使用條件是電池的溫度。2.1電池的電壓(V)電池的電壓主要指電池正負(fù)極間的端電壓(U)。蓄電池在充放電時(shí)常會(huì)看到這樣的三種現(xiàn)象：第一種現(xiàn)象，充電時(shí)，斷開(kāi)充電電源后，電池的電壓在突然降低△V后，還會(huì)繼續(xù)緩慢地下降；放電時(shí)，斷開(kāi)放電負(fù)載后，電池的電壓則在突然升高△V后，還會(huì)繼續(xù)緩慢地升高。也就是說(shuō)，電池在充、放電時(shí)斷開(kāi)后，電池的電壓是不穩(wěn)定的，一般要持續(xù)幾十分鐘后才能穩(wěn)定。第二種現(xiàn)象，電池儲(chǔ)電很少，但電池的電壓卻很高。然而放電一開(kāi)始，電池的電壓就立刻降下來(lái)；或者電池儲(chǔ)電不多，電壓也不高。但充電開(kāi)始不久，電池的電壓就上升得很高，即使斷開(kāi)充電電源，電池的電壓也沒(méi)有很明顯的下降。第三種現(xiàn)象，電池的電壓與使用條件，沒(méi)有確定的線(xiàn)性關(guān)系。不同充放電率、不同溫度、不同荷電狀態(tài)、不同使用歷程下的電池電壓，都是各不相同的。上述這些現(xiàn)象的出現(xiàn)主要都是由于電池的極化所引起來(lái)的。我們知道，電池正負(fù)極的電極電位，表征正負(fù)極材料電化學(xué)能級(jí)的大小。所以，電池正極材料的電極電位φa與負(fù)極材料的電極電位φb之差，叫電池的電動(dòng)勢(shì)(E)。當(dāng)電池正負(fù)極在電解液中處于熱力學(xué)平衡狀態(tài)和電池沒(méi)有電流流過(guò)(i=0)時(shí)，電池正負(fù)極電極電位也處于平衡狀態(tài)。此時(shí)的正負(fù)極電極電位之差，叫電池的靜態(tài)電動(dòng)勢(shì)(Es)。即：（1）當(dāng)電池有電流流過(guò)(i≠0)時(shí)，靜態(tài)電動(dòng)勢(shì)(Es)就要下降－個(gè)η值，電池的電壓變?yōu)閁。即（2）或

（3）這個(gè)η就叫做電池的極化。電池為什么會(huì)產(chǎn)生極化呢？這是由于電池的電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中要有能量損失、參與電化學(xué)反應(yīng)物質(zhì)濃度的變化(濃差)也會(huì)引起電極電位的變化，此外，電池內(nèi)部還存著歐姆電阻，當(dāng)有電流流過(guò)歐姆電阻時(shí)，也需要消耗能量。由電池電化學(xué)過(guò)程產(chǎn)生的極化和反應(yīng)物質(zhì)濃度變化所引起的濃差極化，統(tǒng)稱(chēng)電池電化學(xué)極化(ηe)；由歐姆電阻引起的極化叫歐姆極化(ηΩ)。因此，電池的極化可表達(dá)為：（4）電池的歐姆極化，服從歐姆定律，即電池電壓與電流成正比關(guān)系。電化學(xué)極化，它不服從歐姆定律，電池電壓與電流設(shè)確定的關(guān)系。電池的極化是電流的函數(shù)，與流過(guò)電池的電流大小緊密相關(guān)。電池的極化與流過(guò)電池電流的關(guān)系叫電池的極化曲線(xiàn)η（I），如圖(一)所示：圖(一)

電池充放電的極化曲線(xiàn)圖中Uoc為電池的開(kāi)路電壓，Uc為電池的充電電壓，Ud為電池的放電電壓。每個(gè)電池的極化曲線(xiàn)都是有差異的，而且隨著使用條件的變化而變化。從圖中可以看到，電池的極化曲線(xiàn)呈S形狀。電池在兩端工作時(shí)，即在No.1和No.3區(qū)間工作時(shí)，電池的電壓隨電流的增加而有較大的變化。而在No.2區(qū)工作時(shí)，電池的極化曲線(xiàn)比較平坦。電流增大，電池電壓變化不大。我們可以利用這個(gè)特性，很方便的對(duì)電池進(jìn)行充、放電調(diào)控。電池電壓可以下式表示：

（5）式中：“+”為電池充電狀態(tài)；“-”為電池放電狀態(tài)。設(shè)I為流過(guò)電池的電流，RΩ為電池的歐姆電阻。則歐姆極化：

（6）因此，電池電壓又可寫(xiě)成：充電時(shí)：

（7）放電時(shí)：

（8）開(kāi)路時(shí)：

（9）但是，在電池開(kāi)路狀態(tài)下測(cè)量的電池開(kāi)路電壓Us，不一定等于電池的靜態(tài)電動(dòng)勢(shì)(Es)。這是因?yàn)殡姵貎蓸O在電解液中不一定處于熱力學(xué)的平衡狀態(tài)，特別是在剛結(jié)束充放電后的一段時(shí)間里所測(cè)量的電池開(kāi)路電壓，與電池的電動(dòng)勢(shì)相差甚遠(yuǎn)。因此說(shuō)，電池的電動(dòng)勢(shì)很難直接用電工測(cè)量的方法測(cè)出。一般都是用計(jì)算方法估算電池的電動(dòng)勢(shì)。用實(shí)時(shí)測(cè)量電池正負(fù)極間電壓的方法，可以測(cè)量出按公式(7)、(8)和(9)所包含內(nèi)容的每－個(gè)單體電池的所有工況下的實(shí)時(shí)電壓，即電池的電動(dòng)勢(shì)與極化電壓之和。這對(duì)于我們?nèi)虒?shí)時(shí)監(jiān)控電池來(lái)說(shuō)，電池的實(shí)時(shí)電壓是主要的參數(shù)。有人企圖通過(guò)測(cè)量電壓的方法來(lái)估算電池的儲(chǔ)備能量。其實(shí)，用電池電壓來(lái)估算電池儲(chǔ)備能量，是很不準(zhǔn)確的。2.2

電池的容量(C)/儲(chǔ)備能量(W)電池的容量(C)是指從電池中獲得的電量，用Ah或mAh表示。一般規(guī)定，在電池充滿(mǎn)電的條件下，以一定的放電率放電，放到最低允許使用電壓時(shí)所能獲得的電量。不同的放電率，電池有不同的容量。放電率越大，電池的容量越小。所以，一般都是采用常用負(fù)載電流作放電倍率來(lái)測(cè)量電池的放電容量。電池的額定容量是指電池生產(chǎn)廠家，在按規(guī)定充滿(mǎn)電的條件下，以規(guī)定的放電倍率放電，放到規(guī)定的最低允許使用電壓為止的放電量。大多情況下，用電設(shè)備所使用的是能量，所以要求電池提供的也應(yīng)該是電池的儲(chǔ)備能量。要準(zhǔn)確測(cè)量電池的容量(C)/儲(chǔ)備能量(W)是很困難的。近十幾年來(lái)，國(guó)內(nèi)外有許多專(zhuān)家，采用建立電池?cái)?shù)學(xué)模型的方法，用計(jì)算機(jī)作手段作仿真計(jì)算，得出了多種蓄電池儲(chǔ)備能量的估算法，并且還申請(qǐng)過(guò)多項(xiàng)專(zhuān)利。但其共同的缺點(diǎn)都是：準(zhǔn)確度低、繁瑣而不實(shí)用。相對(duì)準(zhǔn)確而實(shí)用、簡(jiǎn)便而又可靠的的方法是：測(cè)量電池的實(shí)時(shí)電流I/A和與之對(duì)應(yīng)的實(shí)時(shí)電壓U/V，通過(guò)測(cè)出的實(shí)時(shí)電流（I）和電壓（U），很容易算出電池的實(shí)時(shí)電量（Ah或mAh）和能量（Wh或kWh）以及電池容量/能量與時(shí)間的關(guān)系。電池容量/能量測(cè)量的基準(zhǔn)：用常用放電倍率（例如0.3C）放電，當(dāng)電池組中有某個(gè)電池的電壓降低到最低允許的使用電壓時(shí)，以此設(shè)為電池儲(chǔ)備容量/儲(chǔ)備能量的零點(diǎn)。然后，用最佳充電率（例如0.3C）充電，當(dāng)電池組中有某個(gè)電池的電壓達(dá)到最高允許的充里電壓、充電電流下降到較小的充電電流(例如0.015C)時(shí)，作為充滿(mǎn)電的條件，定為電池儲(chǔ)備容量/儲(chǔ)備能量的最大值。這是電池的相對(duì)電量，是可以利用的最大電池儲(chǔ)備電量。但平時(shí)不要求充電充到最大值。電池容量/能量測(cè)量值的修正：由于電池在充、放電過(guò)程中是有能量損失的，輸入的電量會(huì)大於輸出的電量。所以，必須在充電時(shí)，把輸入的電量加以修正。一般乘上一個(gè)約相當(dāng)于電池充放電總效率的修正系數(shù)即可。由于電池組的充放電效率，會(huì)隨著電池使用條件的改變而改變，所以，在使用一段時(shí)間后，還要進(jìn)行修正。電池容量/能量測(cè)量的修正的校驗(yàn)：在電池儲(chǔ)備容量/儲(chǔ)備能量零點(diǎn)的條件下開(kāi)始充電，直到充滿(mǎn)電(不充滿(mǎn)也可)為止。然后放電，一直放到電池儲(chǔ)備容量/儲(chǔ)備能量零點(diǎn)的設(shè)定條件為止。如果電池儲(chǔ)備容量/儲(chǔ)備能量的指示為零，說(shuō)明所設(shè)定的修正系數(shù)是正確的；如果電量指示不為零，且余量為正值時(shí)，說(shuō)明所設(shè)定的修正系數(shù)過(guò)大；如果余量與負(fù)值，說(shuō)明所設(shè)定的修正系數(shù)過(guò)小。重新改變一下修正系數(shù)就以了。2.3電池的內(nèi)阻(R)電池內(nèi)阻的影響：電池的內(nèi)阻對(duì)電池的使用性能影響很大。在充放電時(shí)，它要消耗電池的能量，使電池發(fā)熱，限制電池電流的增加，降低電池的工作電壓；在成組使用時(shí)，電池內(nèi)阻一致性誤差的存在，使電池組各單體電池的電壓(串聯(lián)使用時(shí))或電流(并聯(lián)使用時(shí))的一致性變壞，導(dǎo)致電池的使用安全和使用壽命大大降低。所以，電池的內(nèi)阻和電池內(nèi)阻的一致性誤差，是電池使用中很需要關(guān)注的問(wèn)題，是電池管理系統(tǒng)(BMS)常用到，但又無(wú)法得到的主要參數(shù)。當(dāng)然，電池的內(nèi)阻和電池內(nèi)阻的一致性，主要靠提高電池的制造質(zhì)量來(lái)解決。但在電池的使用中，加強(qiáng)電池管理，防止電池過(guò)充、過(guò)放電，還有可能使電池的內(nèi)阻和電池內(nèi)阻的一致性誤差變小。至少可以保持不變壞。電池內(nèi)阻的特性：電池的內(nèi)阻包括歐姆電阻(RΩ)和電化學(xué)極化電阻(Re)兩種。對(duì)于鋰離子電池來(lái)說(shuō)，電池的歐姆電阻(RΩ)，主要有鋰離子通過(guò)電解質(zhì)時(shí)受到阻力所形成的電阻、隔膜電阻、電解質(zhì)-電極界面的電阻和集電體(銅鋁箔、電極)電阻等；電化學(xué)極化電阻(Re)有鋰離子嵌入、脫嵌和離子移過(guò)程的電化學(xué)極化電阻、濃差極化電阻等。歐姆電阻(RΩ)服從歐姆定律，電化學(xué)極化電阻(Re)不服從歐姆定律。電池的內(nèi)阻，無(wú)論是歐姆電阻還是電化學(xué)反應(yīng)的極化電阻，隨著電池使用條件的不同而變化。電池內(nèi)阻的測(cè)量：因?yàn)殡姵氐膬?nèi)阻是有源元件，所以電池的內(nèi)阻不能用普通歐姆電表測(cè)量電阻的方法，而必須用特殊的方法去測(cè)量。電池內(nèi)阻的測(cè)量，一般有交流法和直流法兩種。但不管用那一種方法，所測(cè)得的都只是一定使用條件下電池的歐姆內(nèi)阻。換言之，電池的電化學(xué)反應(yīng)極化電阻(Re)是很難測(cè)量的。電池的內(nèi)阻一般在電池制造廠產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)時(shí)逐個(gè)進(jìn)行測(cè)量，但只能測(cè)一定負(fù)荷下的歐姆電阻。電池在使用中是不便測(cè)量?jī)?nèi)阻的，盡管有人也賞試過(guò)用一些復(fù)朵的專(zhuān)門(mén)方法去測(cè)量電池內(nèi)阻，但實(shí)際用途不大。因?yàn)殡姵卦谑褂弥?，其?nèi)阻是不可控參數(shù)。即使把它測(cè)量出來(lái)了，也無(wú)法去改變它，控制它。電池的內(nèi)阻會(huì)直接影響電池的電壓，造成電壓降。因此，根據(jù)電池電壓降的大小就可以定性的判斷出電池內(nèi)阻的大小，不必專(zhuān)門(mén)去測(cè)量電池的內(nèi)阻。2.4

電池的溫度(T)電池溫度的影響：電池溫度對(duì)電池的容量、電壓、內(nèi)阻、充放電效率、使用壽命、安全性和電池一致性等方面都有較大的影響。不同的溫度，電池有不同的性能。就拿電池的容量來(lái)說(shuō)，與25℃溫度時(shí)的容量相比：在零上溫度時(shí)，溫度每降1℃，電池的容量下降0.5%；在零下溫度時(shí)，溫度每降1℃，電池的容量下降1.0%。由于電池的電壓也隨溫度的下降而下降，所以電池儲(chǔ)備能量隨溫度的下降而加倍的下降。電池溫度過(guò)高，不僅會(huì)使電池性能變壞，壽命降低，而且還會(huì)發(fā)生安全事故。電池溫度過(guò)低，不僅會(huì)使電池性能變壞，而且還會(huì)使充放電發(fā)生困難。電池所處環(huán)境的溫度不同，電池的一致性變壞。因此，電池在使用中必須進(jìn)行嚴(yán)格的溫度測(cè)量與溫度管理。電池溫度的測(cè)量：電池溫度的測(cè)量應(yīng)當(dāng)測(cè)量每個(gè)單體電池內(nèi)部的溫度。但是，測(cè)量電池內(nèi)部的溫度是很困難的。所以一般可用測(cè)量電極柱表面溫度的方法測(cè)量電池的溫度。因?yàn)殡姌O柱與電極集電體相聯(lián)，而且都是由傳熱性能較好的銅和鋁材料做成，所以電極柱的溫度與電芯內(nèi)部溫度很相近，溫度傳導(dǎo)滯后也不大。三、電池管理系統(tǒng)(BMS)的功能電池管理系統(tǒng)(BMS)的功能應(yīng)當(dāng)包括電池基本保護(hù)功能、電池均衡功能、電池儲(chǔ)備能量測(cè)算功能和網(wǎng)絡(luò)通信功能。3.1

電池管理系統(tǒng)(BMS)的基本保護(hù)功能電池管理系統(tǒng)(BMS)的基本保護(hù)功能包括以下六種電池保護(hù)：①過(guò)壓保護(hù)功能(OV)。充電時(shí)（含制動(dòng)能量回收），任一電池的充電電壓超過(guò)設(shè)定值時(shí)，充電電壓自動(dòng)減小，防止電池過(guò)充電。②低壓保護(hù)功能(UV)。放電時(shí)，任一電池的放電電壓低于設(shè)定值時(shí)，停止放電，防止電池過(guò)放電。③

高溫保護(hù)功能(OT)：無(wú)論是充電還是放電時(shí)或者停車(chē)休眠狀態(tài)，任一電池的溫度超過(guò)設(shè)定值時(shí)，啟動(dòng)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，降低電池溫度。在超過(guò)允仵的最高溫度時(shí)，要立即自動(dòng)切斷電路。④

低溫保護(hù)功能(UT)：充電時(shí)，電池的溫度低于設(shè)定值時(shí)，自動(dòng)改變充電流，一般要減少到充電電流的1/3；放電時(shí)，電池的溫度低于設(shè)定值時(shí)，啟動(dòng)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，提高電池溫度。⑤過(guò)流保護(hù)功能(OC)：充、放電時(shí)，電池的電流超過(guò)設(shè)定值，自動(dòng)限制電流的增長(zhǎng)。⑥

短路保護(hù)功能(SC)：充、放電時(shí)和停車(chē)休眠狀態(tài)，遇到電池發(fā)生短路，自動(dòng)切斷電路。3.2

電池管理系統(tǒng)(BMS)的均衡功能3.2.1電池一致性對(duì)電池組的影響電池參數(shù)的不一致會(huì)對(duì)電池組的使用產(chǎn)生嚴(yán)重影響，尤其是串聯(lián)電池組。下面以串聯(lián)電池組為例進(jìn)行說(shuō)明。圖(二)是串聯(lián)電池組的等效電路原理圖。電池的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻的影響：圖(二)

串聯(lián)電池等效電路原理圖圖中，El、Ei、En為單體電池的電動(dòng)勢(shì)。為單體電池的等效內(nèi)阻，ηl、ηi、ηn為單體電池的極化電壓，I為電池組的總電流，其值為：

（10）U1、U2、U3為單體電池的電壓，其值為：

（11）

（12）

（13）式中：，以上(11)～(13)說(shuō)明，在電池組中，電池的電動(dòng)勢(shì)越高、內(nèi)阻越大，充電時(shí)其充電電壓越高，放電時(shí)其放電電壓越低。為了防止過(guò)充、過(guò)放電，應(yīng)當(dāng)控制電池參數(shù)的最大、最小誤差，并定義為：最大誤差：

（14）最小誤差：

（15）式中：是各電池參數(shù)的數(shù)學(xué)平均值。(14)、(15)式也可表達(dá)成：充電時(shí)：

（16）放電時(shí)：

（17）當(dāng)某一電池i的電動(dòng)勢(shì)Ei和內(nèi)阻Ri分別超差δE、δR時(shí)，由(16)、（17）式有：充電時(shí)：

（18）

（19）放電時(shí)：

（20）

（21）把（18）～（21）式分別代入（12）式，并設(shè)，整理后便得i電池的電壓：充電時(shí)：

（22）放電時(shí)：

（23）式中：UC、UD分別為電池組的充、放電總電壓，n為電池組的電池個(gè)數(shù)。與電池組充、放電總電壓的均值、相比，i電池的電壓差值為：充電時(shí)：

（24）放電時(shí)：

（25）這說(shuō)明，當(dāng)電池的電動(dòng)勢(shì)E和內(nèi)阻存在誤差δ時(shí)，電池的電壓也存在同樣的誤差δ。對(duì)于鋰離子電池來(lái)說(shuō)，設(shè)，則電池的電壓差值為：充電時(shí)：放電時(shí)：此外，超差的電池在充放電后期，其電壓急劇變化(見(jiàn)圖三)，內(nèi)阻也急劇上升，由公式(11)～(13)可以看到，電池的電壓又繼續(xù)變化，導(dǎo)致該電池過(guò)充、過(guò)放電。圖(三)

鋰離子電池充放電曲線(xiàn)電池的容量的影響：設(shè)Cmax、Cmin為電池的最大、最小容量，為電池的平均容量，n為電池的個(gè)數(shù)。則電池組可用的容量為：充電時(shí)：

（26）放電時(shí)：

（27）以上說(shuō)明，電池組可用容量?jī)H由電池組中最小容量電池的容量決定。3.2.2曾經(jīng)和目前流行的電池均衡方法為了克服電池不一致帶來(lái)的嚴(yán)重影響，在電池使用中，人們強(qiáng)烈地提出了對(duì)電池進(jìn)行均衡的要求。為此，近十幾年來(lái)，許多電池管理系統(tǒng)(BMS)的研發(fā)者，采用了各種各樣的方法來(lái)進(jìn)行電池的均衡。歸納起來(lái)有以下幾種方法：(1)分流法，也叫旁路法：充電時(shí)，當(dāng)某一電池的充電電壓超過(guò)設(shè)定值時(shí)，通過(guò)并聯(lián)在該電池的電阻分流該電池的一部分電流，從而達(dá)到降低該電池充電電壓的目的。其等效原理圖如圖(四)所示。圖(四)

分流均衡法等效電路原理圖圖中，E1、Ei…En為單體電池的電動(dòng)勢(shì)，R1、Rbi…Rn為單體電池的內(nèi)阻，U1、Ui…Un為單體電池的充電電壓，R為單體電池并聯(lián)的電阻。UC是總充電電壓，I是總充電電流，Ib是流過(guò)電池的電流，IR是流過(guò)并聯(lián)電阻R的電流。設(shè)∑E為各單體電池電動(dòng)勢(shì)之和，∑R為各單體電池并聯(lián)電阻之和。則分流前（各單體電池并聯(lián)電阻的開(kāi)關(guān)打開(kāi)），各單體電池的充電電壓為：

（28）

（29）

（30）式中：設(shè)任一電池i分流（第i個(gè)電池并聯(lián)電阻的開(kāi)關(guān)合上，其余開(kāi)關(guān)打開(kāi)）時(shí)，各單體電池的充電電壓為：

（31）

（31）

（33）式中：

（34）

（35）并聯(lián)分流電阻電池后的充電電壓降為：

（36）

（37）

（38）分流電流：

（39）分流后充電總電流：

（40）以上(10)～(22)公式只能作定性分析用，因?yàn)楣街杏杏行﹨?shù)未知，也很難測(cè)量。為此，可設(shè)定兩種極端情況：一是假設(shè)電池的電動(dòng)勢(shì)相同，而內(nèi)阻不同；二是假設(shè)電池的內(nèi)阻相同，而電動(dòng)勢(shì)不同。為了具體說(shuō)明分流對(duì)電池均衡充電的影響，以一個(gè)由4個(gè)容量為100Ah、允許最高充電電壓4.25V的單體電池串聯(lián)的電池組為例，并設(shè)定4個(gè)單體電池的參數(shù)如下：設(shè)電池的電動(dòng)勢(shì)：

E1、E2、E3、E4，各電池的充電電壓：

U1=4.05V，U2=4.10V，U3=4.16V，U4=4.25V，電池組總的充電電壓：

UC=16.56V，此時(shí)電池組的充電電流：10A。設(shè)單體電池的等效內(nèi)阻：R1、R2、R3、R4，電池充電電壓一致性的均方根誤差：，電池組的一致性均方根誤差率為：

1.8%。U4電池已經(jīng)達(dá)到了允許的最高充電電壓。因此，在U4電池上并聯(lián)電阻R進(jìn)行分流。設(shè)定分流電流為1A。分流后，電池組的充電總電壓仍不變(恒壓充電)。假設(shè)電池的電動(dòng)勢(shì)相同，而內(nèi)阻不同：并設(shè)定各電池的電動(dòng)勢(shì)：電池組的總電動(dòng)勢(shì)：則在分流前，各電池的極化電壓：分流前電池組總的極化電壓：分流前電池組總等效內(nèi)組：分流前，各電池的等效內(nèi)組：第4個(gè)電池分流后，第4個(gè)電池的等效內(nèi)組減小，電池組的總等效內(nèi)組也減小，但電池組的充電電壓不變(恒壓充電)。因此，電池組的總充電電流增加。在第4個(gè)電池并聯(lián)的分流電阻：并聯(lián)分流電阻后，電池組的總等效內(nèi)組：并聯(lián)分流電阻后，電池組的總電流：第4個(gè)電池分流后，電池的極化電壓(暫不考慮電流極化電壓加大的影響)：第4個(gè)電池分流后，各電池的充電電壓：分流的結(jié)果，使超限電池的充電電壓下降0.025V，可控制過(guò)壓充電，但對(duì)電池組的均衡效果不大。此外，這種方案，結(jié)構(gòu)復(fù)朵，體積大，分流時(shí)發(fā)熱量大，通用性差。所以，沒(méi)有推廣使用的價(jià)值。(2)切斷法充電時(shí)，當(dāng)某一電池的充電電壓超過(guò)設(shè)定值時(shí)，通過(guò)自動(dòng)控制開(kāi)關(guān)切斷該電池的電路。切斷法等效電路原理圖如圖(五)所示。圖(五)

切斷均衡法等效電路原理圖當(dāng)電池i的充電電壓超過(guò)設(shè)定值時(shí)，開(kāi)關(guān)Ki1打開(kāi)，Ki2合上。電池i斷路，電流IKi從Ki2流過(guò)IKi。此時(shí)，電池的總電壓會(huì)下降一個(gè)電池的電壓。這種方法只能防止電池過(guò)壓充電，沒(méi)有均衡作用。其次，它所用的切斷開(kāi)關(guān)的負(fù)載能力，隨電池容量增加而加得很大，不宜采用。(3)并聯(lián)法所謂并聯(lián)法，就是把電池按先并后串的連接方式使用。這也是一些電池生產(chǎn)廠家和電池的使用者，企圖利用一些小容量電池組成大容量、高電壓電池組所采用的方法。這種方法的等效電路原理圖如圖(六)所示。圖(六)

并聯(lián)均衡法等效電路原理圖下面以3個(gè)電池并聯(lián)為一組進(jìn)行計(jì)算分析。根據(jù)克希荷夫第一定律∑I=0和第二定律∑U=0：1)當(dāng)整個(gè)串聯(lián)電池組開(kāi)路時(shí)，I=0，有：

（41）

（42）

（43）求解三個(gè)聯(lián)立方程并經(jīng)過(guò)整理后得：

（44）

（45）

（46）1，當(dāng)并聯(lián)各電池電動(dòng)勢(shì)相等時(shí)，即E1=E2=E3=E，內(nèi)阻不等，時(shí)，I1=I2=I3=0，每個(gè)電池都沒(méi)有電流流過(guò)，且與它們的內(nèi)阻無(wú)關(guān)。2，當(dāng)并聯(lián)各電池電動(dòng)勢(shì)不相等，E1≠E2≠E3時(shí)，并假設(shè)E1﹥E2﹥E3。由于：(E2-E1)﹤0，且(E3-E1)﹤0，所以，I1﹤0，一號(hào)電池放電；(E1-E2)﹥0，而(E3-E2)﹤0，那么，I2要由三個(gè)電池的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻的具體數(shù)值才能確定；(E1-E3)﹥0，且(E2-E3)﹥0，所以，I3﹥0，三號(hào)電池充電。由此可見(jiàn)，當(dāng)把電動(dòng)勢(shì)不一致的電池并聯(lián)時(shí)，電動(dòng)勢(shì)高的電池會(huì)向電動(dòng)勢(shì)低的電池充電，一直延續(xù)到各電池的電動(dòng)勢(shì)相同，各電池電流接近零為止。所以，并聯(lián)使用的電池，只要它們的電壓有差異，隨時(shí)都可以在并聯(lián)組內(nèi)自動(dòng)均衡。因?yàn)槌浞烹姇r(shí)要損失能量，所以均衡后電池組的電動(dòng)勢(shì)總要小于平均電動(dòng)勢(shì)，這會(huì)使串聯(lián)的各電池組之間的一致性變壞。(2)當(dāng)整個(gè)串聯(lián)電池組閉合時(shí)，有：

（47）

（48）

（49）式中：±I--串聯(lián)回路總申流，充電時(shí)為+、放電為-?！鱾€(gè)并聯(lián)電池組電動(dòng)勢(shì)之和，--各個(gè)并聯(lián)電池組等效內(nèi)阻。求解這三個(gè)聯(lián)立方程并經(jīng)過(guò)整理后得：

（50）

（51）

（52）1)當(dāng)三個(gè)電池的電動(dòng)勢(shì)相等，即E1=E2=E3=E，而內(nèi)阻也相等，即R1=R2=R3=R時(shí)，顯然，三個(gè)電池電流平均分配。2)當(dāng)三個(gè)電池的電動(dòng)勢(shì)相等，即E1=E2=E3=E，而內(nèi)阻不相等時(shí)，三個(gè)電池電流的分配為：

（53）

（54）

（55）設(shè)R1﹥R2﹥R3，則I1﹤I2﹤I3，即內(nèi)阻越大，電流越小。3)當(dāng)三個(gè)電池的內(nèi)阻相等，即R1=R2=R3=R，而電動(dòng)勢(shì)不相等時(shí)，三個(gè)電池電流的分配為：

（56）

（57）

（58）設(shè)E1﹥E2﹥E3，則I1R﹤I2R﹤I3R，電動(dòng)勢(shì)越大，電流越小。4)當(dāng)三個(gè)電池中有一個(gè)電池的電動(dòng)勢(shì)為零，設(shè)第1個(gè)電池電動(dòng)勢(shì)E1'=0V。①如果其內(nèi)組R1≠0，則：

（59）

（60）

（61）此時(shí)電動(dòng)勢(shì)為零的第1個(gè)電池，其電流增加量為：

（62）第2、3個(gè)電池，其電流增加量為：

（63）

（64）可見(jiàn)，電動(dòng)勢(shì)為零的電池，其電流增加，其它電池電流減小。②如果其內(nèi)組R1=0，則：

（65）

（66）

（67）這表明，當(dāng)電池的電動(dòng)勢(shì)為零，且其內(nèi)組也為零時(shí)，流過(guò)這個(gè)電池的電流是其它兩個(gè)電池的外部短路電流和串聯(lián)回路電流之和，電流很大，溫度很高，很容易使這個(gè)電池著火燃燒。但是電池的電動(dòng)勢(shì)和電池的容量平衡不了。各電池的容量和內(nèi)阻有差別時(shí)，各電池的充、放電電流就不一樣。內(nèi)阻高，電流小。內(nèi)阻低，電流大。這樣又會(huì)引起各電池容量的不一致。容量不一致，又會(huì)引起電池電壓的不一致。因而又會(huì)引起高電壓電池向低電壓電池充電的循環(huán)過(guò)程。但是，我們知道電池充放電過(guò)程是要損失能量的。因此，并聯(lián)電池自動(dòng)平衡的結(jié)果，又會(huì)使各并聯(lián)組之間的一致性變壞。電池并聯(lián)后，無(wú)法測(cè)量各單體電池的電壓，因而就無(wú)法實(shí)施對(duì)電池組中各單體電池的監(jiān)控?？梢?jiàn)，用并聯(lián)法是無(wú)法實(shí)現(xiàn)電池組電池的均衡效果的。2)能量回收法在充電時(shí)，當(dāng)某一電池的充電電壓超過(guò)設(shè)定值時(shí)，通過(guò)升壓（如陶瓷變壓器）或儲(chǔ)能器件（如電容器），把該電池的部分能量送回充電回路，從而達(dá)到既降低該電池的充電電壓，又能回收能量的目的。圖(七)是其等效電路原理圖。這種方法存在上述①、②種方法的弊端，所以也不適宜用它去進(jìn)行電池的均衡。圖(七)

能量回收均衡法等效電路原理圖3)輔助充電法輔助充電法的等效電路原理圖如圖(八)所示。圖(八)

輔助充電均衡法等效電路原理圖其工作原理如下：在充電時(shí)，用一個(gè)主充電器對(duì)串聯(lián)的電池組進(jìn)行充電，其充電電流約占總充電電流的90%左右。在此同時(shí)或當(dāng)充電到電池容量的80%～90%時(shí)，啟動(dòng)輔助充電器(合上開(kāi)關(guān)K)，對(duì)一個(gè)個(gè)電池單獨(dú)進(jìn)行輔助充電。當(dāng)某一電池的充電電壓達(dá)到設(shè)定值時(shí)，就減小或停止(打開(kāi)開(kāi)關(guān)K)對(duì)該電池進(jìn)行輔助充電。一直到所有電池的充電電壓都達(dá)到設(shè)定值，總的充電電流減小到設(shè)定的最小充電電流時(shí)，才停止主充電器和輔助充電器的充電。這種方法是國(guó)外一家公司開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品。但是，實(shí)際上很難達(dá)到予想的均衡效果。主要原因是輔助充電器的調(diào)節(jié)能力有限，因?yàn)檩o助充電器不能做得很大，滿(mǎn)足不了調(diào)節(jié)的要求。再說(shuō)這種方法結(jié)構(gòu)復(fù)朵、體積大、造價(jià)高、適應(yīng)性小，所以，輔助充電法也不宜推廣使用。4)單充法所謂單充法，就是一個(gè)個(gè)電池或一組組電池單獨(dú)充電，每一個(gè)(組)電池分別控制。如圖(九)所示。這種方法雖然能控制每個(gè)電池的充電，不致于發(fā)生過(guò)充電現(xiàn)象。但是，很顯然這種方法不帶有均衡的功能，而且每個(gè)單體電池(申池組)的充電器，其輸出特性也很難做到一致，因此，這種方法不僅起不到均衡的作用，反而會(huì)引起加大電池的不一致性誤差。再說(shuō)這種方法結(jié)構(gòu)也太復(fù)朵，所以，單充法不宜堆廣使用。圖(九)

單充法等效電路原理圖5)充、放電均衡裝置為了充分利用每個(gè)蓄電池所儲(chǔ)備的能量，有些電池管理系統(tǒng)(BMS)的專(zhuān)家專(zhuān)門(mén)研發(fā)出一種電池管理系統(tǒng)(BMS)，在充放電時(shí)，經(jīng)常檢測(cè)各單體電池的電壓，當(dāng)單體電池電壓差達(dá)到設(shè)定值時(shí)，就把高電壓電池的部分能量轉(zhuǎn)移到低電壓電池上去，使得在充電時(shí)每個(gè)電池都能充滿(mǎn)，放電時(shí)每個(gè)電池的剩余能量大致相同。電池能量轉(zhuǎn)移的方法與④能量回收法大體相似。顯然，這種方法的弊端，與上述④能量回收法的弊端大體相同，同時(shí)它違背了淺充淺放的蓄電池最佳使用原則。與全充全放相比，淺充淺放對(duì)電池的使用壽命至少可以提高1.5倍。所以沒(méi)有必要用這種充、放電均衡裝置去進(jìn)行電池的均衡。3.2.2推薦使用的電池管理系統(tǒng)均衡功能綜上所述，過(guò)去曾用過(guò)的和目前還使用的一些電池均衡方法，基本上都不適用。上述方法的共同特點(diǎn)是：要么凡是電池電壓超出高電壓設(shè)定值，就給該電池放電或停止充電；要么一個(gè)個(gè)或一組組電池單獨(dú)充電。這些方法正如上面所講過(guò)的那樣，理論根據(jù)缺乏，實(shí)際效果欠佳，甚至適得其反。推薦使用的電池管理系統(tǒng)均衡功能沒(méi)有采用上述八種電池均衡方法，而是采用以下的十字方針：管兩頭、帶中間、自動(dòng)均衡。具體說(shuō)就是：在充、放電和停車(chē)時(shí)，全天候的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)每個(gè)單體電池的電壓、溫度和電池組的電流，根據(jù)電池的使用性能和使用條件設(shè)定最高充電電壓、最低放電電壓、最高和最低使用溫度、最大電流的門(mén)限值，當(dāng)某一個(gè)電池的電壓、溫度、電池組電流超限時(shí)，就啟動(dòng)調(diào)控和報(bào)警功能。一方面，保證任何一個(gè)單體電池都不會(huì)超限工作，這就叫做“管兩頭”。另一方面，保證在稍小的充電電流下繼續(xù)充電，一直到充電總電壓和最小充電流達(dá)到設(shè)定值時(shí)，充電結(jié)束。這就叫做“帶中間”。電池的均衡充電是在調(diào)控的充電過(guò)程中自動(dòng)進(jìn)行的。電池自動(dòng)均衡充電原理：為了具體說(shuō)明電池自動(dòng)均衡充電的原理，以一個(gè)由4個(gè)容量為100Ah、允許最高充電電壓為4.25V單體電池串聯(lián)的電池組為例，并設(shè)定4個(gè)單體電池的參數(shù)如下：電池的電動(dòng)勢(shì)：E1、E2、E3、E4，電池的端電壓：U1、U2、U3、U4，電池的內(nèi)阻：

R1、R2、R3、R4，在充電后期，電池的參數(shù)(電動(dòng)勢(shì)、端電壓和內(nèi)阻)會(huì)發(fā)生比較明顯的變化，電池的一致性誤差加大。例如可實(shí)測(cè)到的電池電壓：U1=4.05V、U2=4.10V、U3=4.16V、U4=4.25V。電池電壓一致性均方根誤差：σ=0.0745V，一致性的均方根誤差率為1.8%。U4電池已經(jīng)達(dá)到了允許的最高充電電壓。顯然，各單體電池的電動(dòng)勢(shì)(E)和內(nèi)阻(R)也發(fā)生了變化，但我們沒(méi)有，也無(wú)法實(shí)時(shí)測(cè)量出來(lái)。不過(guò)，像上面2.1之①所說(shuō)的那樣，同樣沒(méi)定兩種極端情況：第一種情況，設(shè)電池的電動(dòng)勢(shì)(E)相同，內(nèi)阻(R)不同。第二種情況，設(shè)電池的內(nèi)阻(R)相同，電動(dòng)勢(shì)(E)不同。在第一種情況下，電池的電動(dòng)勢(shì)：E1=E2=E3=E4。內(nèi)阻(R)不同，就是電池的極化電壓不同。電池內(nèi)阻(R)越高，電池的極化電壓就越高。因此，電池的充電電壓也越高。正如上述(4)式所示，電池的極化電壓：而電池充電電壓，如上述(7)式所示，為從式中可以看到，由于電池的電動(dòng)勢(shì)相同，即Es=E1=E2=E3=E4，由池極化電壓越高，電池的充電壓Uc就越高。因此，在設(shè)定電池電動(dòng)勢(shì)相同的情況下，可判定U4高的原因是該電池的內(nèi)阻高、極化電壓大所致。在這個(gè)例子中，設(shè)定E1=E2=E3=E4=4.0V，充電電流為5A，則各電池的極化電壓為：η1=U1-E1=4.05-4.0=0.05V，η2=U2-E2=4.10-4.0=0.10V，η3=U3-E3=4.16-4.0=0.16V，η4=U4-E4=4.25-4.0=0.25V。各電池的等效內(nèi)阻為：R1=η1/I=0.05/5=0.01Ω，R2=η2/I=0.10/5=0.02Ω，R3=η3/I=0.16/5=0.03Ω，R4=η4/I=0.25/5=0.05Ω從電池極化電壓與流過(guò)電池的電流的關(guān)系曲線(xiàn)(見(jiàn)圖十)，電池在No.1區(qū)小電流范圍工作。圖(十)

4個(gè)電池的充放電的極化曲線(xiàn)當(dāng)U4電池達(dá)到允許的最高充電電壓時(shí)，通過(guò)自動(dòng)調(diào)控把充電電流減小1A(△I=1A)，則各電池的極化電壓和充電電壓都發(fā)生相應(yīng)的變化：各電池的極化電壓：

△η1≈△I×R1=0.01V，△η2≈△I×R2=0.02V，△η3≈△I×R3=0.03V，△η4≈△I×R4=0.05V。各電池的充電電壓：

U1'=U1-△η1=4.05-0.01=4.04V，U2'=U2-△η2=4.10-0.02=4.08V，U3'=U3-△η3=4.16-0.03=4.13V，U4'=U4-△η4=4.25-0.05=4.20V。各電池一致性均方根誤差：σ=0.0597V。各電池一致性的均方根誤差率為1.45%。與調(diào)控前相比，各電池的一致性均方根誤差減小了20%，誤差率減小了19.4%。超限的U4電池的充電電壓，也由4.25V下降到了4.20V，電池組可以繼續(xù)充電。當(dāng)電池的電壓再次上升到門(mén)限時(shí)，再繼續(xù)調(diào)控，一直充到充電電壓保持在最高允許充電電壓，而充電電流下降到規(guī)定最小充電電流(一般設(shè)定為0.015C)時(shí)，自動(dòng)停止充電。在第二種情況下，各電池的極化電壓相同即等效內(nèi)阻相同，而電動(dòng)勢(shì)不同，設(shè)充電電流仍為5A。U4電池充電電壓高的原因是該電池的電動(dòng)勢(shì)較高所造成的。各電池的極化電壓：η=η1=η2=η3=η4=0.15V。各電池的等效內(nèi)阻：仍用自動(dòng)調(diào)控的方法，當(dāng)U4電池達(dá)到允許的最高充電電壓時(shí)，自動(dòng)把充電電流減小1A(△I=1A)，則各電池的極化電壓和充電電壓都發(fā)生相應(yīng)的變化：各電池極化電壓的變化：△η=△η1=△η2=△η3=△η4≈△I×R=1×0.03=0.03V。各電池的充電電壓為：U1'=U1-△η=4.05-0.03=4.02V，U2'=U2-△η=4.10-0.03=4.07V，U3'=U3-△η=4.16-0.03=4.13V，U4'=U4-△η=4.25-0.03=4.22V。各電池一致性均方根誤差：

σ=0.0745V各電池一致性的均方根誤差率為：1.81%。在這種情況下，電池的一性誤差沒(méi)有變化，但高電壓電池的充電電壓降下來(lái)了，從而防止了過(guò)壓充電，使充電可以繼續(xù)進(jìn)行。此外，在充電后期，由于電池充電的接受率隨電池電動(dòng)勢(shì)的增加而減小，特別是在充電后期，電動(dòng)勢(shì)高的電池吸收的充電能量小，電動(dòng)勢(shì)低的電池吸收的充電能量大。隨著充電的繼續(xù)電池會(huì)自動(dòng)的均衡起來(lái)。其他的情況都在上述兩種極端情況之中，其效果也是一樣的，我們可以不去管它?？偠灾ㄟ^(guò)自動(dòng)調(diào)控的方法，既可實(shí)現(xiàn)“管兩頭”，防止過(guò)壓充電