剖析电池系统“均衡”本质-瑞达国际集团

　　剖析电池系统“均衡”本质

　　系统“均衡”技术并非新概念。“电池均衡”并不是新鲜的名词，至少在镍镉电池上使用了30年。只是早期的技术简单、低效，其原理和方法是：使用功率型电阻，把串联中最高的哪节电池单体电压，采用耗能的形式降下来，缩小压差;同时，可防止因过充导致的事故。和今天的技术发展相比，在硬件和软件管理方面，没有可比性。但就其机理而言是相同的，同样是：保障电池的安全性、缩小单体电池差异性。

　　“均衡”技术因电池串联而生

　　电芯在系统中的应用，主要是通过串联形式，获取高电压，来满足负载要求。比如说额定48V电源的电压，是由单体标称3.7V，12~13颗单体电芯串联而成的电压叠加效应。12~13颗电芯个体，因生产工艺的差异性，例如，生产日期、环境差异、极片厚度、面积、电解液加注量等等环节，是无法做到一模一样的，只能在一定范围内满足偏差要求。所以，其本征物理量的差异性，就不难理解了。但是其串联回路，在充放电时，流过的电流是一样的。如果使用r代表一颗电芯的内阻,哪么，因内阻的差异，就会导致单体电芯表现的电压不同。当在充电环节时，内阻大的会提前充满或接近上限电压，这个时候，为了防止过充损坏或导致灾难性结果，就需要把最高的单体电压拉下来，接近或保持在上限数值内。这就是均衡的一种形式，也是均衡技术的原型和基础。在最早2010版的leaf，就采用了这种技术。我常把它归结为“保护型均衡”。原因是，其主要功能还是为了防止过充。

　　“均衡”是实现单体本征特性达到或趋于一致的过程

　　或者说，均衡是让每个单体参数接近一组电芯的平均值。电压是电池本征参数之一，很多时候，均衡最直接的表现形式，就是电压的均衡。均衡前，串联的电芯个体，表现出来就是电压的不一致性。缩小压差，达到规定的数值，是均衡的另一种形式，也是最终需要实现的功能。

　　因串联单体差异，SOC上限只能接近100%

　　从理论上计算，单体电压按相同值计算，其荷电状态SOC应为100%，U=V1×n。但是，现实应用中，SOC是不可能做到满满的。这一点，需要技术人员的理解，在设计过程中，提出技术需求时，只能是接近100%的数值，例如，上限SOC是95%，这是合理的。这个数据的确定，需要通过电芯本体的特性、系统的集成水平，通过实验获得。

　　如果是面对客户的一些指标，的确也有SOC100%估值提法，比如说在仪表显示，但这是为了更好的让客户理解的一种做法。并不完全代表真实数据。

　　通过“均衡“，提升系统可用容量，这是怎么回事?

　　这个问题需要从两个方面说起：一方面，站在充电的环节来分析，当没有均衡电路功能时，串联中，某一单体电压达到上限时，监控电路上报后启动控制电路，停止继续充电;当具备均衡电路功能时，会即时监控压差和上限电压状态，并适时启动均衡功能，拉高就低。实际上，等于延长了系统充电时间。充进去的容量，自然要大于没有均衡功能的电路。其本质：通过压差值控制、上限值控制增加了可充容量。

　　另一方面，从SOC可使用范围说起，当没有均衡功能时，SOC两头的弹性区间是很“厚”的，虚值很大，为了保证安全，电池通常在20%到80%的SOC范围内使用，提供给负载只有60%。如果增加了均衡功能，SOC范围完全可能从5%到95%，将可使用数值百分比增加到90%。其实，是让电池可用部分增加了。其本质表现为改变了DOD(充放电深度)。当然了，SOC窗口边界数值，会因电芯不同、BMS不同，而存在差异的。不要拘泥于案例数值。

　　所以说，均衡功能更多的是改变了“木桶”原理最短的哪一块板。

　　改变DOD深度，让电池更高效

　　从上述分析，均衡电路的应用，可以很好的拓展SOC应用区间。假如说，一个系统10KWh,如果可以提升10%的利用率，成本、重量、能量密度的贡献，都是相当可观的。当然了，SOC区间可用部分，并不完全取决于均衡，还有多种因素存在，例如:电化学因素导致的SOC区间缓冲区间、SOC算法估计导致的SOC缓冲区间等，都是可用区间变窄的原因。所以说，电池系统，才有了“掐头去尾”这么一种说法。但是，均衡电路在其中的贡献是一定存在的。需要综合评估。我们有时评经验设定下限的做法，一个台阶就是5%，10%，没有根据电芯固有特性、环境温度等分别标定对待SOC边界，做到精打细算，对于电池效率是一种很大的浪费。

　　均衡作用不会改变电芯固有本质

　　前面重点阐述均衡本质，我们再回头看看，对电芯的影响程度。电芯的本征，重点体现在内阻、电压的变化，这是可以直接测量的，潜在对应的是计算得出的功率和容量。在均衡功能对改善电池系统状态方面，一直存在不同观点和争议。但是，有一点是可以肯定的：增加均衡功能，是无法改变电芯个体固有特性的。但是，是否可以延缓电芯性能的衰减，有待于进一步研究和使用数据证明。所以说，一味的把均衡功能作用夸大，是不正确的。

　　国内外产品对均衡功能不同的应用和理解

　　在分析leaf、Volt、宝马等国外车型的时候，发现其均衡功能，和我们理解的存在偏差：一方面从均衡硬件上，其均衡电流在100~200mA之间，这么小的电流平衡，其作用微乎其微。也有人归结为电芯高品质毋须大电流均衡。另一方面，在设计均衡硬件电路方面显得非常谨慎，例如，采用专属自己和产品的芯片，全面的散热、间隔设计;充分的冗余设计。

　　总之，我认为其设计的核心，还是站在系统安全的高度完成的。高品质电芯，的确可以使均衡电路简化，有力的保障了系统的安全性、可靠性。同时，均衡本质是在回路内的能量内循环。故障的发生可导致严重的后果。所以，切莫照顾电芯的品质，弃安全于不顾。这样也会误导了均衡的发展方向。

　　均衡技术，不是低品质电池的救命稻草

　　我在看到一些BMS厂家，拼命的把均衡电流放大，来迎合国内一些低质电池的应用。其实，这真得不是BMS厂家的买点和初衷，更多的是他们的无奈，因为他们也得在国内市场存活。需要反思的：是整车厂提出得技术要求的严谨程度、电池厂家配套的电芯品质。国内电池与国外电池仍然存在大的差距，这是共识，所以说，国内电芯品质提升已然是迫在眉睫的事情，不仅需要前段一致性做好，关键是后段一致性也需要过硬。再辅于高效的均衡，这才是合理的和正确的发展思路。

　　进一步研究和探索

　　系统均衡，首先能保障系统更安全;其次是促进可充放电容量增加。其在深充深放的EV应用中，更能体现其优势。随着新能源发展的深入，还有更多的技术问题需要研究分析，例如：均衡工作点的最优切入点;如何准确捕捉判断电池状态;如何有效降低电池个体衰减速度等等，都是需要不断解决的问题。