電池管理系統(tǒng)(BMS)主要就是為了能夠提高電池的利用率，防止電池出現(xiàn)過度充電和過度放電，延長電池的使用壽命，監(jiān)控電池的狀態(tài)。其作用是對鋰離子電池電壓、電流、溫度、容量、電池SOC荷電狀態(tài)計(jì)量、電池與車體的絕緣狀態(tài)等多種參數(shù)以CAN通訊的方式與車控電腦適時(shí)進(jìn)行信息交換，確保電池的能量發(fā)揮到極致，使駕駛者能夠隨時(shí)掌握電池的工作狀態(tài)，以保證電池的安全。BMS的功能包括電池工作狀態(tài)監(jiān)控、充放電管理，單體電池間均衡，其中均衡是電池管理的核心。
單體鋰電池一般組成鋰電池組使用。鋰電池組在使用過程中，由于單體電池本身及外部環(huán)境的差異，使得鋰電池組各單體電池的電壓實(shí)際并不均衡，這樣，就容易造成鋰電池組在整體充放電使用過程中，其中某個(gè)單體鋰電池出現(xiàn)過充電或過放電，極大的降低了鋰電池的使用壽命。
不一致性的產(chǎn)生原因：在制造過程中，由于工藝問題和材質(zhì)的不均勻，使電池極板厚度、微孔率、活性物質(zhì)的活化程度等存在微笑差別，這種電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)和材質(zhì)上的不完全一致性，就會(huì)使同一批次出廠的同一型號電池的容量、內(nèi)阻和電壓等參數(shù)值不可能完全一致;
在裝車使用時(shí)，由于電池組中各個(gè)電池的溫度、通風(fēng)條件、自放電程度、電解液密度等差別的影響，在一定程度、電解液密度等差別的影響，在一定程度上增加了電池電壓、內(nèi)阻及容量等參數(shù)不一致。
那么，BMS均衡的目的就是延長電池組的使用壽命。
均衡方法介紹
一、被動(dòng)均衡
被動(dòng)均衡分為硬件方案和軟件方案
1. 被動(dòng)式硬件方案介紹
充電末端均衡，均衡電流55mA，沒有壓差比較，單體電池到達(dá)某個(gè)點(diǎn)后開啟均衡。
例如1oS三元電池，單體到達(dá)4.19V后開啟單通道放電。
2. 被動(dòng)式軟件方案均衡
啟動(dòng)均衡條件：有單體最高電壓值，單體最高最低壓差比較，有對比選擇性的均衡。
例如1oS電池中，先采集單體電壓，計(jì)算最高最低壓差，當(dāng)壓差大于50mV，且單體最高大于3.8V時(shí)啟動(dòng)均衡，此時(shí)只要是單體大于3.8V時(shí)啟動(dòng)均衡，此時(shí)只要是單體大于3.8V且比單體最低高50mV即開啟單通道均衡(開啟并聯(lián)電阻放電)。
二、主動(dòng)均衡
主動(dòng)式無損均衡根據(jù)能量的流動(dòng)方式分為集中式和分散式
集中式均衡方法就是從整組電池獲取能量，然后通過電能轉(zhuǎn)換裝置向能量少的電池補(bǔ)充電量;
分散式的均衡方法就是在相鄰的電池之間存在一個(gè)儲(chǔ)能環(huán)節(jié)，這個(gè)儲(chǔ)能環(huán)節(jié)可以是電感也可以是電容，這樣就可以讓能量在相鄰電池之間流動(dòng)，能量多的電池就可以將能量傳遞到能量少的電池。
這兩種方式的最終目的都可以均衡整組電池。
1. 無損均衡----分散式
分散式目前分為：電容式(飛度電容法)和儲(chǔ)能電感式
1.1 電容式：即通過切換電容開關(guān)，將電荷從電壓高的電池轉(zhuǎn)移到電壓低的電池，達(dá)到均衡，達(dá)到均衡需要多次傳輸，且兩個(gè)電池壓差很小時(shí)需要很長時(shí)間均衡。
每兩個(gè)電池組成一個(gè)均衡單元，如上圖中電池EB1和EB2組成第一個(gè)均衡單元，儲(chǔ)能電容C1;儲(chǔ)能電感L1、L2;開關(guān)Q1、Q2組成了均衡電路。當(dāng)EB1和EB2產(chǎn)生不平衡時(shí)，該均衡電路在相位相反的兩個(gè)方波驅(qū)動(dòng)下交替開關(guān)，通過儲(chǔ)能元件構(gòu)成的能量交換通道逐次地把電壓高電池的電荷搬移到電壓低的電池中，直至兩個(gè)電池平衡為止。
1.2儲(chǔ)能電感對稱分布式能量轉(zhuǎn)移
充電均衡電路如圖所示。電池組由多節(jié)單體電池串聯(lián)而成，充電電源由大小為Ic的恒流源表示。各串聯(lián)電池旁都接有均衡電路模塊Mn，每一均衡模塊由儲(chǔ)能電感、開關(guān)器件及二極管組成，對稱地分布于電池組的兩側(cè)。當(dāng)均衡模塊Mn中的開關(guān)器件Sn開通時(shí)，電池Bn對電感Ln充電儲(chǔ)能，電感電流線性上升，當(dāng)Sn關(guān)斷時(shí)，電感Ln中的能量通過二極管續(xù)流到其他蓄電池中。上游電池的儲(chǔ)能電感通過二極管續(xù)流到下游電池，下游電池的儲(chǔ)能電感則通過二極管續(xù)流到上游電池中。各均衡電路中開關(guān)器件可同時(shí)導(dǎo)通，其通斷由控制器輸出的PWM脈沖進(jìn)行控制，調(diào)節(jié)PWM占空比的大小，可有效調(diào)節(jié)能量轉(zhuǎn)移速度。
2. 無損均衡---集中式
根據(jù)均衡器處理能量的流向分單向和雙向均衡
雙向型使用雙向變換器，輸入輸出方向動(dòng)態(tài)調(diào)整。比較而言，雙向型更具優(yōu)勢，基于均衡效率考慮，單向型均衡器，使用自組高壓到單體低壓的變換器，適用于放電均衡，使用自單體低壓到組高壓的逆變器適合充電均衡。
2.1集中式單向均衡
2.2集中式雙向均衡
基于變壓器架構(gòu)的新型主動(dòng)均衡方案
該方案采用一個(gè)反激式變壓器作為核心，通過磁場和電場的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)能量在單個(gè)電池單元與整個(gè)電池組間雙向傳遞。電池充電荷放電均衡的具體過程可以用“劫富濟(jì)貧”來形容。
二、各均衡方案優(yōu)缺點(diǎn)對比
被動(dòng)均衡方式
優(yōu)點(diǎn)：電路結(jié)構(gòu)簡單，成本較低
缺點(diǎn)：只能做充電均衡。同時(shí)，在充電均衡過程中，多余的能量是作為熱量釋放掉的，使得整個(gè)系統(tǒng)的效率低、功耗高，均衡電流50mA
BMS應(yīng)用：電動(dòng)自行車、電摩
飛度電容方案
優(yōu)點(diǎn)：成本低，結(jié)構(gòu)簡單，主動(dòng)式能量利用率高
缺點(diǎn)：均衡效率有限，是把電容作為能量傳遞的載體。該方案可以實(shí)現(xiàn)能量在電池組任意兩個(gè)單體之間的直接轉(zhuǎn)移。由于均衡電流受電容電壓與電池組中單體電壓之差的限制，隨著均衡過程的進(jìn)行，均衡速度會(huì)越來越慢，量產(chǎn)均衡電流300mA左右。
儲(chǔ)能電感方案：
優(yōu)點(diǎn)：主動(dòng)式能量利用率高，均衡效果大于電容方案，量產(chǎn)均衡電流5A。
缺點(diǎn)：只能在相鄰的兩節(jié)之間轉(zhuǎn)移能量
成本偏高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜
DC/DC單向均衡：均衡性能有限，目前量產(chǎn)均衡電流可以到1A。
DC/DC雙向均衡：均衡效果理想，成本高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，適用于大型動(dòng)力電池或儲(chǔ)能站電池，目前量產(chǎn)均衡電流可以到5A。
均衡方法選擇
均衡之于動(dòng)力鋰電池組的重要性就不再贅述，沒有均衡的鋰電池組就像是得不到保養(yǎng)的發(fā)動(dòng)機(jī)，沒有均衡功能的BMS只是一個(gè)數(shù)據(jù)采集器，很難稱得上是管理系統(tǒng)。主動(dòng)均衡和被動(dòng)均衡都是為了消除電池組的不一致性，但兩者的實(shí)現(xiàn)原理可謂是截然相反。因?yàn)橐灿腥税岩揽克惴ㄓ葿MS主動(dòng)發(fā)起的均衡都定義為主動(dòng)均衡，為避免歧義，這里把凡是使用電阻耗散能量的均衡都稱為被動(dòng)均衡，凡是通過能量轉(zhuǎn)移實(shí)現(xiàn)的均衡都稱為主動(dòng)均衡。
被動(dòng)均衡先于主動(dòng)均衡出現(xiàn)，因?yàn)殡娐泛唵?，成本低廉至今仍被廣泛使用。其原理是依照電池的電量和電壓呈正相關(guān)，根據(jù)單串電池電壓數(shù)據(jù)，將高電壓的電池能量通過電阻放電以與低電壓電池的電量保持相等狀態(tài)，也有以最高電壓為判據(jù)，比如三元鋰電最高4.2V，凡是超過4.2V就開始放電均衡。
因?yàn)锽MS概念和產(chǎn)品最早是由國外提出，國外半導(dǎo)體廠商最先設(shè)計(jì)出專用IC,開始只是檢測電壓和溫度，后來均衡的概念提出后，就采用了電阻放電的方法并將這個(gè)功能加入到IC中(因?yàn)檫@個(gè)放電控制的功能容易集成進(jìn)芯片里)，現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的TI\MAXIM\LINER均有此類芯片在產(chǎn)，有的是將開關(guān)驅(qū)動(dòng)做到芯片里，有的甚至試圖將開關(guān)也做進(jìn)了芯片里。從被動(dòng)均衡原理及示意圖中我們可以看出，如果電池組比作木桶，串接的電池就是組成木桶的板，電量低的電池是短板，電量高的就是長板，被動(dòng)均衡做的工作就是“截長不補(bǔ)短”。電量高的電池中的能量變成熱耗散掉，電能使用效率低。不僅如此，因?yàn)閷㈦娔苻D(zhuǎn)變成熱量耗散，帶來了兩難的問題，這就是如果均衡電流大，熱量就多，最后如何散熱成為問題;如果均衡電流小，那么在大容量電池組中、電量差別大的情況下所起到的電量平衡作用效率很低，要達(dá)到平衡需要很長時(shí)間，在應(yīng)用中有種隔靴搔癢的感覺。權(quán)衡利弊，所以現(xiàn)在被動(dòng)均衡的電流一般都在百毫安(100mA)級別。
因?yàn)楸粍?dòng)均衡的局限，主動(dòng)均衡的概念得以提出并發(fā)展。主動(dòng)均衡是把高能量電池中的能量轉(zhuǎn)移到低能量電池中，相當(dāng)于對木板“截長補(bǔ)短”。因?yàn)椴幌癖粍?dòng)均衡只有“截”，在如何“補(bǔ)”的問題上業(yè)內(nèi)充分發(fā)揮了各自的優(yōu)勢和想象力，主動(dòng)均衡的方案可謂異彩紛呈。除了飛度電容的方案(因?yàn)檫m用串?dāng)?shù)低，轉(zhuǎn)移有局限性而未能成為主流)，還有變壓器的方案，變壓器方案中又有各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。半導(dǎo)體廠家也設(shè)計(jì)了電池專用的DCDC轉(zhuǎn)換芯片，命名為主動(dòng)均衡控制芯片來推向市場，顯然是不想錯(cuò)過這班車。
主動(dòng)均衡帶來的好處顯而易見：效率高，能量被轉(zhuǎn)移，損耗只是變壓器線圈損耗，占比小;均衡電流可以設(shè)計(jì)的大，達(dá)到幾安甚至10A級別，均衡見效快。雖然有這些好處，主動(dòng)均衡也帶來了新的問題。首先是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尤其是變壓器方案。幾十串甚至上百串電池需要的開關(guān)矩陣如何設(shè)計(jì)，驅(qū)動(dòng)要怎么控制，這都是令人頭痛的問題，所以這也是為什么至今主動(dòng)均衡功能無法完全集成進(jìn)專用IC的原因，半導(dǎo)體廠家一直希望能做出大一統(tǒng)的芯片，但在BMS上實(shí)在是力有不逮。對BMS整機(jī)廠家也是如此，主動(dòng)均衡電路結(jié)構(gòu)方面，少有廠家的設(shè)計(jì)可以令人耳目一新，擊節(jié)叫好。其次是成本問題，復(fù)雜的結(jié)構(gòu)必然帶來復(fù)雜的電路，成本與故障率上升是必然的，現(xiàn)在有主動(dòng)均衡功能的BMS售價(jià)會(huì)高出被動(dòng)均衡的很多，這也多少限制了主動(dòng)均衡BMS的推廣。
因?yàn)閮煞N均衡功能各有利弊，本來主動(dòng)均衡功能是可以替代被動(dòng)均衡功能的，但因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)復(fù)雜成本高，而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜之后故障率也會(huì)高而與被動(dòng)均衡處于膠著狀態(tài)，業(yè)內(nèi)人士常為了哪種均衡更好爭論不休。特斯拉的BMS均衡功能(被動(dòng)均衡，見下圖中Cell balancing circuit中所指均為放電電阻)經(jīng)常被示范以證明被動(dòng)均衡強(qiáng)于主動(dòng)均衡。其實(shí)這反而證明了任何技術(shù)選擇都要和整體條件適用的道理。特斯拉的電池是松下提供的特制的18650鋰電池，本身一致性非常好，而且在壽命期間一致性差異擴(kuò)大有限，用被動(dòng)均衡就足夠了。不像我國從電池原材料到生產(chǎn)工藝還有待提高，電池一致性離散程度還比較大，主動(dòng)均衡在動(dòng)力型鋰電池組應(yīng)用中會(huì)更適合。
被動(dòng)均衡適合于小容量、低串?dāng)?shù)的鋰電池組應(yīng)用，主動(dòng)均衡適用于高串?dāng)?shù)、大容量的動(dòng)力型鋰電池組應(yīng)用。對BMS來講，除了均衡功能非常重要，背后的均衡策略更為重要。在電池單體的一致性差異在一定范圍內(nèi)時(shí)，電池的電量和電壓成正相關(guān);但是當(dāng)電池的一致性差的遠(yuǎn)，也就是有電池處于受損狀態(tài)時(shí)，電量和電壓相關(guān)性就沒那么強(qiáng)了，這時(shí)的均衡依據(jù)，就不能單以電壓這一數(shù)據(jù)來判斷。如果意識不到有電池?fù)p壞到臨界狀態(tài)以下，依然根據(jù)電壓均衡，反而會(huì)對電池造成傷害，尤其是主動(dòng)均衡，因其電流大造成的傷害會(huì)比被動(dòng)均衡更大。
無論是主動(dòng)均衡還是被動(dòng)均衡，都有其應(yīng)用價(jià)值。均衡技術(shù)也不是神一樣的存在。BMS整體的設(shè)計(jì)和與整車的搭配才是關(guān)鍵。同時(shí)，兩種BMS均衡方法利弊明顯，存在爭議主要是國內(nèi)外使用哪種方式更為合理的問題。但是還是得看電池的特性，單體一致性很強(qiáng)的情況下，小容量的電池組更適合被動(dòng)均衡。大容量的動(dòng)力電池如果一致性方面一般，采用主動(dòng)均衡則更能適應(yīng)使用要求。
