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小智科普丨电池管理中主动均衡VS被动均衡,到底谁更胜一筹?

菜鸟
2022-06-09 13:40:10     打赏

主动均衡和被动均衡,是电动汽车BMS业界争论热点之一。像极了华山剑派的气宗和剑宗,业内争论的不亦乐乎,业外看的是不明所以。  

 

没有均衡的锂电池组就像是得不到保养的发动机,没有均衡功能的BMS只是一个数据采集器,很难称得上是管理系统。主动均衡和被动均衡都是为了消除电池组的不一致性,但两者的实现原理可谓是截然相反。

 

因为也有人把依靠算法由BMS主动发起的均衡都定义为主动均衡,为避免歧义,这里把凡是使用电阻耗散能量的均衡都称为被动均衡,凡是通过能量转移实现的均衡都称为主动均衡。

 

丨基本电池组设计原则

 

为什么电池要做主被动均衡,首先我们了解一下基本电池组设计原则。

 

基本电池组设计原则:

 

·当第一个单电池充满电时,必须停止充电。

·当第一个单电池无电时,放电必须终止。

·弱蓄电池节比强蓄电池老化得更快。

·弱蓄程度最高的电池节将最终限制电池组的可用电量(最弱环节)。

·电池组中的系统温度梯度使运行在较高平均温度的电池节变弱。

·在不使用均衡的情况下,在每个充放电周期中,最弱蓄和最强蓄单电池之间的电压差将增加。最终,其中一个单电将始终接近最大电压,而另外一个单电池接近最低电压→从而阻碍了电池组的充放电能力。

 

由于这些电池再也不会像它们最初使用时那么互相匹配,而且由于我们的安装方式将使它们处于不同的温度环境中,我必须做好单电池均衡。

图片1.png

锂离子电池主要出现两种不匹配;充电不匹配和容量不匹配。充电不匹配在容量相同的单电池所容纳的充电量逐渐生差别时出现。容量不匹配出现在同时使用初始容量不同的电池节时。由于电池组通常由几乎在同一时间生产的单电池组装而成,这些单电池的制造工艺也相差无几,所以单电池通常情况下匹配良好。然而,如果电池组由来源不明的单电池组装而成,或者在制造工艺方面差别很大的话,也有可能出现容量不匹配。


丨主动均衡VS被动均衡

 

1.目的


电池系统组是由众多电池串联而成的,每一节电池不可能完全一样,当第一个单电池充满电时,必须停止充电。当第一个单电池无电时,放电必须终止。均衡的意义在于利用电子技术,使锂离子电池单体电压偏差保持在预期的范围内,实现整体可用可控,从而保证每个单体电池在正常的使用时不发生损坏,延长其使用寿命。

 

2.设计比较


被动均衡一般通过电阻放电的方式,对电压较高的电池进行放电,以热量形式释放电量,在充电过程中为其他电池争取更多充电时间。

 图片2.png

主动均衡是一种复杂的均衡技术,在充电和放电循环期间,使得电池单元内的电荷得到重新分配,从而缩短充电时间,延长放电使用时间。放电模式下一般采用底部均衡策略,充电模式下一般采用顶部均衡策略。

 图片3.png

 

2.优缺点比较

图片4.png


丨结语

 

BMS概念和产品最早是由国外提出,国外半导体厂商最先设计出专用IC,开始只是检测电压和温度,后来均衡的概念提出后,就采用了电阻放电的方法并将这个功能加入到IC中(因为这个放电控制的功能容易集成进芯片里),现在广泛应用的TI\MAXIM\LINER均有此类芯片在产,有的是将开关驱动做到芯片里,有的甚至试图将开关也做进了芯片里。

 

上面的被动均衡原理及示意图中我们可以看出,如果电池组比作木桶,串接的电池就是组成木桶的板,电量低的电池是短板,电量高的就是长板,被动均衡做的工作就是“截长不补短”。电量高的电池中的能量变成热耗散掉,电能使用效率低。不仅如此,因为将电能转变成热量耗散,带来了两难的问题,这就是如果均衡电流大,热量就多,最后如何散热成为问题;如果均衡电流小,那么在大容量电池组中、电量差别大的情况下所起到的电量平衡作用效率很低,要达到平衡需要很长时间,在应用中有种隔靴搔痒的感觉。权衡利弊,所以现在被动均衡的电流一般都在百毫安(100mA)级别。

 

因为被动均衡的局限,主动均衡的概念得以提出并发展。主动均衡是把高能量电池中的能量转移到低能量电池中,相当于对木板“截长补短”。因为不像被动均衡只有“截”,在如何“补”的问题上业内充分发挥了各自的优势和想象力,主动均衡的方案可谓异彩纷呈。

主动均衡带来的好处显而易见:效率高,能量被转移,损耗只是变压器线圈损耗,占比小;均衡电流可以设计的大,达到几安甚至10A级别,均衡见效快。虽然有这些好处,主动均衡也带来了新的问题。首先是结构复杂,尤其是变压器方案。几十串甚至上百串电池需要的开关矩阵如何设计,驱动要怎么控制,这都是令人头痛的问题,所以这也是为什么至今主动均衡功能无法完全集成进专用IC的原因,半导体厂家一直希望能做出大一统的芯片,但在BMS上实在是力有不逮。对BMS整机厂家也是如此,主动均衡电路结构方面,少有厂家的设计可以令人耳目一新,击节叫好。其次是成本问题,复杂的结构必然带来复杂的电路,成本与故障率上升是必然的

 

因两种均衡功能各有利弊,在这里小智建议大家电池一致性较好的,可以选择被动均衡,而电池一致性离散程度比较大,则可以考虑选择主动均衡。

*本文章部分资料、图片来源于网络,版权归原作者所有,如有侵权,请与我联系删除,谢谢!




高工
2022-06-09 16:56:46     打赏
2楼

感谢楼主的分享,很实用了。


院士
2022-06-09 17:17:41     打赏
3楼

学习并收藏了,谢谢分享。


院士
2022-06-09 21:58:14     打赏
4楼

学习


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