BMS——电池均衡算法

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1. 电池均衡功能需求

1.1 基本概念

在电池簇电芯间容量存在一致性差异时，会导致电池系统整体可用电量下降及SOC估算不准以致出现充放电末端出现跳变。电池均衡的意义就是利用电力电子技术，使锂离子电池单体电压或电池组电压偏差保持在预期的范围内，从而保证每个单体电池在正常的使用时保持相同状态，以避免过充、过放等异常的发生。

1.2 不一致性的来源

电池由于自身内部差异或外部使用状态不同而形成的电池容量、SOC、内阻和电压等参数不同的现象，称为电池组不一致性。

锂离子电池间的不一致性主要来源于几个方面：

1、生产制造时工艺上的差别和材质的不均，造成电池两极材料的活化程度和厚度、隔板等存在细微的差别，使得内部结构和材质不完全一致；

2、使用过程中，电池组中各个电池电解液密度、温度、自放电程度等的差别也会造成不一致。

3、随着时间的累积，电池不一致性越来越大。

1.3 不一致性的影响

不一致性主要影响以下几个方面：

1、降低整体容量性能

2、缩短电池使用寿命

3、限制整体充放电功率

4、影响电池安全性能

有实验表明，在使用不一致性较大的电池组时电压波动明显，功率性能有所下降，同时电池组之间的差异进一步加剧，电池利用率和电池寿命会随着差异性的增大而减少。因此，在发现电池有差异时，应当进行处理，以减小不一致性对电池造成的影响，避免形成恶性循环。电池不一致性无法完全消除，但可以通过电池均衡技术使其尽量减小。

2. 电池均衡方法介绍

电池均衡（Cell Balancing）分为两种：被动均衡（Passive Balancing）与主动均衡（Active Balancing）。

2.1 被动均衡

被动均衡，运用电阻器件，将高电压或者高荷电量电芯的能量消耗掉，以达到减小不同电芯之间差距的目的，是一种能量的消耗。

被动均衡的优点是电路结构简单，成本较低；缺点是能量利用率低，同时会增加模组的散热。

2.1.1 被动均衡原理

如果检测到电池不均衡的情况下，被动均衡有选择性地闭合高能量的单体电池放电回路，闭合开关，通过回路中的电阻对电池组中能量较高的电芯进行放电，把偏高的能量消耗掉，以此减小电芯之间的差距最终达到均衡状态。由于这种均衡方式是被动的能量消耗，所以被称为被动均衡。

2.1.2 被动均衡应用

BMS均衡功能的实现主要靠AFE，它里面集成了均衡控制开关以及相关逻辑电路，给用户提供了丰富的诊断和控制接口，如下图（图片来源于中颖的SH367309），方框部分即为均衡电路。

2.2 主动均衡

主动均衡，运用储能器件等，将荷载较多能量的电芯部分能量转移到能量较少的电芯上去，是能量的转移。

主动均衡的优点是均衡速度快、能量利用率高；缺点是电路较为复杂，成本较高。

2.2.1 主动均衡原理

主动均衡是将电池组中高能量电池的能量转移到低能量电池上实现能量转移式均衡，以此减小电芯之间的差距最终达到均衡状态。由于是主动式的能量转移，所以称为主动均衡。

2.2.2 主动均衡应用

ETA3000是电池平衡IC，可面向上下两串电池组，其可以通过无限级联，实现3节-24节动力电池组的均衡，ETA3000是主动开关式均衡，其均衡电流可以达到1.5A。ETA3000是钰泰半导体独有专利池内的新型电池均衡器，与传统的无源平衡技术不同，ETA3000利用具有电感器的控制方案来在两个电池之间source和sink电流，直到相邻两节电池电势均等。在传统的线性平衡技术中，会产生较大功耗，而使用ETA3000采用全新的开关式主动均衡技术，其大幅度降低均衡过程中热量的产生，且均衡时间也大大减少。ETA3000在待机M中只消耗电池2uA的工作电流。ETA3000有效地提高了串联电池的性能和寿命。

3. 电池均衡软件算法介绍

3.1 被动均衡方法一

以单体端电压为监督目标，当单体压差进入一定范围，均衡开启，开始发挥作用。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起动均衡过程，5mV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，先计算平均值，再计算每只电芯电压与电压均值的差值，电芯编号按照差值大小排队。差值与设定阈值比较，若最大的差值在阈值范围内，触发均衡程序。后续策略与具体均衡实现形式有关。