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动力电池BMS均衡功能详解:原理、硬件与局限性

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@小白创作中心

动力电池BMS均衡功能详解:原理、硬件与局限性

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来源
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https://www.ritarpower.cn/bydyupsds/2805.html

电池管理系统(BMS)中的均衡功能是确保电池组内各电芯性能一致的关键技术。本文将详细介绍被动均衡与主动均衡的原理,以及各种均衡硬件的实现方式和局限性。

被动均衡与主动均衡

被动均衡通过电阻器消耗高电压或高荷电量电芯的能量,以减小不同电芯之间的差距,是一种能量消耗型均衡方式。

主动均衡则通过储能器件将能量较多的电芯部分能量转移到能量较少的电芯,实现能量的转移。

有专家认为,上述两种均衡方式应对应于耗散型均衡和非耗散型均衡。主动还是被动,取决于触发均衡过程的事件:系统到达不得不进行均衡的状态是被动均衡;在可以不均衡时人为设定均衡程序则是主动均衡。

例如,在放电过程中,当电压最低的电芯达到放电截止电压而其他电芯仍有剩余电量时,系统会将高能量电芯的部分能量转移到低能量电芯,以继续放电过程,直到全部电量释放完毕,这就是被动均衡。如果在电量还有40%时,系统预计到放电截止时会出现不均衡,提前启动均衡程序,这才是主动均衡。

均衡控制策略

当前的均衡控制策略主要以单体电压或SOC(荷电状态)为控制目标参数。以单体电压为例,设定均衡控制的触发阈值,比如极值与平均值的差值达到50mV时启动均衡过程,5mV时结束均衡。管理系统按照固定的采集周期采集每一串单体端电压,计算平均值和每只电芯电压与平均值的差值,按差值大小排序。当最大差值在阈值范围内时,触发均衡程序。后续策略则与具体的均衡实现形式相关。

均衡硬件概述

基于变压器

变压器通过互感作用实现能量在原边与副边之间的传递。具体过程是:副边先并联在高能量电芯上,能量传递到原边形成端电压,加载在整个电池组上给整组充电;副边再并联在低能量电芯上,通过变比得到高于低能量电芯端电压的电压,给电芯充电。

基于双向DCDC

通过将每只电池的SOC与平均SOC做差并排序,按照"一帮一"的原则,差值最大的正负电芯结成对子,通过低压DCDC实现能量转移,直到所有差值在限定范围内。

基于电感

基本思路是将能量高的电芯能量暂存于电感中,然后通过电路开关转换,将电感中的能量转移到低能量电芯。例如,比较相邻两只电池A和B的端电压(A高B低),均衡电路首先将电感与A短时间接通,将部分能量充入电感,断开后使电感与B形成回路,电感给B充电。能量只能在相邻电芯间传递,但通过特定配置可形成闭环,理论上可实现系统内单体电压均衡。

基于电容

与应用电感的基本想法类似,同样是设法把高能量电芯部分能量暂存在电容里,通过配置开关电路,将能量转移给低能量电芯。

电容的应用一般有三种方式:多电容均衡、单电容均衡和双层电容均衡。多电容均衡和单电容均衡原理类似,区别在于多电容电路中电容只在左右近的两只电池之间切换,而单电容均衡通过开关的不同通断组合,使得电容可以并联在任意一只电芯的两端。

双层电容均衡是在多电容的基础上增加一只并联在整个串联电池组两端的电容,使得一串电芯的第一节和最后一节的能量转移成为可能,也提高了均衡效率。

基于电阻

被动均衡通常采用并联电阻的方式消耗部分电池能量。并联电阻有两种形式:一种是固定连接,电阻长期并联在电池两端,电芯电压高时消耗的电量多,电压低时消耗的电量少;另一种是通过开关回路将电阻并联在电芯两端,由管理系统信号触发,当系统判断哪个电芯电压或SOC高时,连接其并联电阻消耗能量。

均衡的局限性

被动均衡通过电阻消耗能量会产生热量,对电池管理系统和电池包产生不良影响。主动均衡需要配置相应电路和储能器件,体积大且成本高,这些因素限制了其推广应用。

电池包的每个充电放电过程都会伴随局部的附加充放电过程,无形中增加了电池的循环次数。对于本身需要充放电才能实现均衡的电芯,额外的工作量是否会导致其老化加速,进而造成与其他电芯更大的性能差距,目前还没有明确的研究结论。

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