電池管理系統(tǒng)均衡技術(shù)發(fā)展綜述

王曉露，譚澤富，代妮娜， 薛菁，向麗紅

（ 重慶三峽學院 信息與信號處理重點實驗室，重慶 404000）

0 引 言

鋰電池在生產(chǎn)加工過程中的個體差異及鋰電池本身特有的化學屬性，會導致鋰電池組內(nèi)單體鋰電池不一致即電池組不平衡，電池組不平衡問題會隨著電池性能的逐漸退化而加劇，進而產(chǎn)生熱失控爆炸等安全隱患。

電池組內(nèi)電池的不一致性可借助均衡電路或結(jié)合均衡器的均衡策略得以解決，以避免電池劣化 進而產(chǎn)生過放電，確保每個電池都能夠在相同或相似狀態(tài)下工作。判斷電池均衡控制策略的變量一般有三種：電池的荷電狀態(tài)（State Of Charge, SOC）、電池容量和電池電壓。目前電池管理系統(tǒng)（Battery Management System, BMS）均衡變量的研究熱點是電池電壓和電池SOC的精準測量。國內(nèi)外半導體廠商已設(shè)計出專用的IC芯片（Integrated Circuit Chip），例如廣泛應(yīng)用的TIMAXIMLINER將電阻放電控制功能集成到芯片以及電池專用的DC/DC轉(zhuǎn)換芯片等。本文主要介紹幾種主流的均衡方法和策略，分析均衡技術(shù)未來的發(fā)展趨勢。

1 電池均衡技術(shù)

電池均衡管理系統(tǒng)依據(jù)劃分方式的不同可分為不同的形式：根據(jù)具體變量的不同可分為基于電壓的均衡、基于容量的均衡和基于SOC的均衡；根據(jù)電路拓撲結(jié)構(gòu)的不同可分為無源形式和有源形式；根據(jù)觸發(fā)時機的不同可分為能量耗散（被動平衡技術(shù)）和能量非耗散（主動平衡技術(shù)）。均衡技術(shù)的典型分類如圖1所示。

圖1 均衡技術(shù)典型分類

以電阻放電的形式進行均衡的方法叫作被動均衡，被動均衡的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。目前采用被動均衡技術(shù)的生產(chǎn)企業(yè)較少，例如特斯拉采用的18650型號電池，其單體電池容量較小，每個電芯采用工業(yè)化生產(chǎn)，電池本身的一致性和自放電率控制比較好。主動均衡是一種以電量轉(zhuǎn)移方式實現(xiàn)的均衡，其方法主要分為開關(guān)電容式主動均衡、電感式主動均衡、變壓器式主動均衡以及變換器式主動均衡。主動均衡成本較高、均衡效率有限、技術(shù)比較復雜，現(xiàn)階段主動均衡的研究仍面臨著較大的挑戰(zhàn)。

圖2 被動均衡基本結(jié)構(gòu)

1.1 基于變換器的均衡技術(shù)

基于變換器的電池均衡是利用DC/DC變流電路實現(xiàn)均衡的方法，根據(jù)DC/DC變流電路的特點，基于變換器的均衡結(jié)構(gòu)可分為非隔離型電路結(jié)構(gòu)和隔離型電路結(jié)構(gòu)。非隔離型電路主要分為Cuk電路、Buck電路及Buck-Boost電路：

（1）Cuk電路。劉征宇等提出了一種新型均衡拓撲結(jié)構(gòu)，采用零電壓導通技術(shù)，通過雙層開關(guān)選擇均衡單體電池連接到Cuk均衡器，實現(xiàn)了模組內(nèi)部單體之間以及不同模組單體之間均衡能量的同時轉(zhuǎn)移，實驗結(jié)果表明，其拓撲中的能量在均衡單體之間可直接搬運，能量利用率約為94%。李斌等提出了一種基于Cuk電路的多交錯對稱式均衡結(jié)構(gòu)，該均衡拓撲結(jié)構(gòu)結(jié)合了Cuk電路和分層均衡優(yōu)勢，縮短了均衡路徑，該均衡結(jié)構(gòu)在均衡時間上分別縮短了91.54%和56.1%。

（2）Buck電路。Q.Li等提出了使用交直流隔離的單芯Buck-DC/DC充電模塊對多個電池同時均衡的改進系統(tǒng)，該系統(tǒng)可有效地對鋰離子電池模塊進行充電和均衡，縮短模塊在初始測試過程中的測試時間。Dehri K等設(shè)計了一種離散滑?？刂破?，以一個受諧波干擾的時變DC-DC Buck變換器為例，實驗證明了其設(shè)計的有效性。龔坤珊等針對傳統(tǒng)單相髙壓大功率Buck變換在功率開關(guān)管兩端會產(chǎn)生過高電壓尖峰的缺點，提出一種無源無損吸收的交錯并聯(lián)Buck電路，其結(jié)構(gòu)如圖3所示，該變換器實驗整體效率在96%以上，滿載時效率最高達到98.37%，其在實際工程應(yīng)用中可以有效地減小損耗。

圖3 單相無源無損Buck電路原理圖

（3）Buck-boost電路。馬曉爽等提出一種互補脈沖驅(qū)動方案，用以減小變換器的二極管損耗，最后通過仿真和實驗得到了驗證，端口電流與電感電流均在約2 ms處達到給定值并穩(wěn)定運行。Q.Zhang等開發(fā)一種基于SiC（Silicon carbide）的多并聯(lián)分立器件，Buck-Boost變換器改進結(jié)構(gòu)如圖4所示，兩個轉(zhuǎn)換器可以根據(jù)需要在各種工作條件下工作，可以通過直流電源的輸出功率直接測量兩個變流器中的損耗（包括所有部件功率的損耗），大大提高了效率測量的準確性，實驗證明其效率為98.3%～99.5%，可以在不影響SiC器件高速開關(guān)能力的情況下實現(xiàn)電流共享。

圖4 Buck-boost變換器的控制框圖

常用的隔離DC/DC變換電路主要分為正激變換、反激變換、橋式變換。正激變換和反激變換與變壓器的拓撲方式相似，全橋式變換器非常適用于大功率輸出裝置，但是其驅(qū)動電路相對復雜，在價格上比較昂貴。王鶴等提出了一種并聯(lián)型DC/DC全橋與降壓型變換器拓撲相結(jié)合的控制策略，借助移相全橋控制技術(shù)和交錯并聯(lián)控制技術(shù)實現(xiàn)高頻磁隔離功能，提高電流控制性能，使得變換器在不同負載情況下的效率均能保持在95%左右。

1.2 基于LTC3300的電池組均衡技術(shù)

LTC3300是一款獨立的雙向反激式控制器，適用于鋰電池和LiFePO4電池，可提供10 A的均衡電流。主要應(yīng)用于電動汽車/插電式混合動力汽車（HEV）、大功率UPS/電網(wǎng)能量存儲系統(tǒng)、通用型多節(jié)電池組。

基于LTC3300芯片的均衡模塊搭配LTC6804等電池組監(jiān)視器，均衡效率可達90%以上。例如，劉政等設(shè)計一套采用電池均衡芯片LTC3300- 1與電池管理芯片LTC6804-2的主動均衡系統(tǒng)來實現(xiàn)能量雙向轉(zhuǎn)移，實驗測試結(jié)果表明該系統(tǒng)的均衡效果明顯，可以在100 min內(nèi)將最大電壓差從430 mV下降到27 mV，均衡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 主動均衡單元電路

2 市場應(yīng)用

所有BMS系統(tǒng)的硬件都需要芯片的支持，美國鋰離子電池管理系統(tǒng)一直走在世界前列。十幾年前日本就開始對BMS技術(shù)進行研發(fā)，BMS芯片解決方案的供應(yīng)商主要有TI、英飛凌、NXP、ADI、瑞薩、ST和安森美等企業(yè)，國內(nèi)外BMS供應(yīng)商的技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 國內(nèi)外主流BMS供應(yīng)商的技術(shù)參數(shù)

目前市場上的電動汽車普遍采用無源均衡技術(shù)，例如特斯拉、比亞迪秦、榮威Ei5等品牌的電動汽車都配備了無源EMS，有源均衡技術(shù)雖然應(yīng)用范圍有限，但因其效率高、速度快等優(yōu)點而成為研究的熱點。根據(jù)Marklines統(tǒng)計，2020年全球電動汽車的總銷量為289.24萬輛，其中應(yīng)用被動均衡技術(shù)的電動汽車有233.1萬輛，占電動汽車總量的80.6%，其中有15.7%來自美國的特斯拉系列汽車，3.7%來自日系豐田、本田旗下汽車，采用主動均衡技術(shù)的電動汽車有56萬輛，奇瑞占1.4%，上汽占5.4%，如圖6所示。

圖6 2020年全球電動汽車所占份額

2.1 國外應(yīng)用情況

英飛凌科技股份公司于2020年9月推出的新型感測和平衡IC（TLE9012AQU）能夠?qū)崿F(xiàn)整個工作電壓范圍和溫度范圍內(nèi)測量誤差為±5.8 mV，提供集成式電池單元平衡功能，TLE9012AQU集成150 mA均衡開關(guān)管，能夠?qū)崿F(xiàn)多通道均衡，也可以實現(xiàn)單個單元的均衡。用戶還可以搭配外部MOSFET，以實現(xiàn)更大的均衡電流。美國德州儀器（TI）推出了一種搭建基于BQ79616和CC2662芯片的無線BMS解決方案，可支持多達100個節(jié)點，每個節(jié)點的延遲都低于2 ms，達到業(yè)界較低水平，并且可實現(xiàn)時間同步測量。最新推出的奧迪e-tron電動汽車的電芯均衡通過CSC（Cell Supervision Circuit）監(jiān)控單元來實現(xiàn)，其采用被動均衡方案對各模組的電壓進行比較，識別高電壓單元，在充電時如電壓差達到1%以上則觸發(fā)均衡。

2.2 國內(nèi)應(yīng)用情況

2020年下半年，山東漢唐電動汽車科技有限公司自主研發(fā)了搭載主動均衡BMS的三元鋰電PACK及與其匹配的動力系統(tǒng)。科列技術(shù)開發(fā)的BMS的均衡電流可達5 A，轉(zhuǎn)換效率提高到90%以上，可以有效彌補各電池之間的不一致。榮威RX5 eMAX自主研發(fā)的智能電池均衡技術(shù)能夠綜合電芯容量、SOC、溫度及工作狀態(tài)等特征，可分時擇機對電芯進行均衡管理。安徽力高BMS產(chǎn)品有B3系列和B5系列等，其中B51產(chǎn)品采用被動均衡策略，B52產(chǎn)品采用主動均衡策略，電壓采集誤差均≤5 mV，SOC誤差≤5%。

3 電池均衡管理技術(shù)研究趨勢

縱觀近兩年的研究成果，電池均衡設(shè)計研究主要集中于均衡路徑優(yōu)化、原理優(yōu)化、模塊化均衡及集成系統(tǒng)等方面：將功率晶體管與低阻值電阻串聯(lián)減小晶體管功耗可實現(xiàn)放電期間快速均衡；周期性停止充電可避免充電期間電池電壓不準確引起的過早均衡。均衡管理工藝設(shè)計在任何一種鋰電池系統(tǒng)中都顯得十分重要，充放電均衡作為電動汽車電池關(guān)鍵技術(shù)之一，仍具有很大的研究提升空間，基于國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及研究趨勢，未來電池均衡系統(tǒng)的研究可從以下幾方面展開：

（1）電池荷電狀態(tài)SOC估算精確化，增加對汽車電壓、電流傳輸情況等參數(shù)的實時跟蹤監(jiān)測。

（2）對均衡控制算法優(yōu)化，云控制是利用機器學習或深度學習方法來預測不一致性演化、尋找最優(yōu)控制方案的可行方法。隨著基于云計算控制方法的逐步完善，云控制均衡化會成為未來的發(fā)展趨勢。

（3）合理設(shè)計電池均衡方案，選擇最佳模塊數(shù)量和電路層次，降低電路能量損耗，提高均衡系統(tǒng)抗干擾能力，提高均衡電路的工作效率以實現(xiàn)最優(yōu)設(shè)計。

（4）集成化電池均衡系統(tǒng)通過半導體工藝對均衡電路中的元件及布線進行集成和封裝，有利于進一步縮小電路體積，降低電路成本。

4 結(jié) 論

電動汽車和相關(guān)電池市場的擴大有助于實現(xiàn)清潔能源減排和經(jīng)濟發(fā)展有關(guān)的可持續(xù)發(fā)展目標。國內(nèi)有必要制定一項長期的未來計劃，以提高電動汽車在電池精確監(jiān)測和控制、碳減排、全球合作和可持續(xù)發(fā)展方面的績效。研究電池均衡技術(shù)的主要目的是實現(xiàn)簡化均衡電路、提升均衡速度、增大均衡效率、提高均衡精度、降低均衡成本，進一步突破傳統(tǒng)工作模式限制，高效提升其實際運行質(zhì)量和效率。電池均衡技術(shù)作為電動汽車關(guān)鍵技術(shù)之一，必將推動電動汽車研究取得更大突破。