BMS均衡技术

一、电池的不一致性？

每个电池都有自己的“个性”，要说均衡，得先从电池谈起。即使是同一厂家同一批次生产的电池，也都有自己的生命周期、自己的“个性”——每个电池的容量不可能完全一致。例如以下的两个原因都会造成电池不一致现象。

（1）生产不一致性
????????生产不一致性很好理解，比如在生产过程中，隔膜不一致，阴极，阳极材料的不一致，造成整体电池容量的不一致，标准是一个50AH的电池，可能一个变成了49AH，一个变成了51AH。
（2）电化学不一致性
????????电化学的不一致性就是在电池充放电的过程中，即使两个电芯的生产加工一模一样，但是热环境在电化学反应的过程中是永远不可能一致的，比如做电池模组的时候，周围一圈温度肯定比中间要低。这就造成充电量、放电量的长久不一致，这也就造成电芯容量不一致；以及电芯SEI膜在长时间充放电电流不一致的时候，SEI膜衰老也就不一致。

二、电池为什么需要均衡技术？

????????各个电池不一样就不一样，为什么非要想办法让他们一样呢？因为不一致性会影响电池组的性能。串联成组的电池组遵循木桶短板效应：在串联成组的电池组系统中，整个系统的容量由容量最小的单体决定。是因为串联电池组的电荷和放电过程是由最弱的单体电池决定的。这是因为在串联电池组中，电流必须通过每个单体电池。如果一个单体电池的容量低于其他单体电池，那么它将首先达到最低容量并且首先停止放电。这将导致整个电池组系统停止放电，即使其他单体电池仍有剩余容量。

????????因此，为了确保整个电池组系统的性能和寿命，需要确保所有单体电池的容量都是相似的，或者至少能够匹配最小容量的单体电池。这将确保整个系统能够提供一致的电流和容量，从而提高系统的可靠性和效率。

我们知道过充过放对电池的伤害很大。所以当充电时电池B已经充满，或者放电时电池B的SoC已经很低，就需要停止充放电，保护电池B，电池A和电池C的电量就无法被充分利用。这就导致：电池组实际可用容量降低、电池组寿命降低。

在应用中，尤其是储能系统应用中，有两个重要的要求：长寿命和深循环
????????第一个长寿命，长寿命的电池可以大大降低运维成本，储能系统对电池组寿命提出了很高的要求，国内大部分在提15年的寿命，如果一年算300次循环，15年就是4500次，这个要求还是非常高的。我们需要每一个电池尽可能发挥应有的寿命，使得整个电池组总的寿命尽可能达到设计的寿命，减少电池离散对电池组寿命的影响。
????????第二个深循环，尤其是在削峰填谷应用场景，多放出一度电多一分收益，也就是说我们会做80%DoD或90%DoD，储能系统当中用到这个深度的时候，尾部放电时候电池的离散性就会表现出来，所以为了保证电池组在深充深放条件下每个单体容量的充分释放，必须要求储能BMS具有很强的均衡管理能力，抑制电池单体间一致性的出现。
这两个要求，正好与电池不一致性相悖，我们要达到更高效的电池组应用，就势必需要更有效的均衡技术，来削弱电池不一致性的影响。

三、均衡技术

电池均衡技术，就是想办法让容量不一样的电池变得一样。常见的均衡方式有两种：能量耗散型单向均衡（被动均衡）和能量转移型双向均衡（主动均衡）。

（1）被动均衡
????????被动均衡原理是在每串电池上并联一个可以开关的放电电阻，BMS控制放电电阻对电压较高的单体放电，电能以热的形式耗散掉。例如当电池B快充满时，打开开关让电池B上的电阻放热，让B多余的电能以热能形式耗散，再继续充电，直到A和C也充满。
????????这种方式只能对电压高的单体放电，不能对容量低的单体进行补充电，受放电电阻功率限制，均衡电流一般较小（小于1A）。被动均衡的优点是成本低和电路设计简单；而缺点为是以最低电池残余量为基准进行均衡，无法增加残量少的电池的容量，及均衡电量100％以热量形式被浪费。

（2）主动均衡
????????多串的电池之间通过算法借助储能元器件将电压高的电芯的能量转移给低电压电芯，对电压较高的电池放电，放出的能量用来对电压较低的单体进行充电，能量主要是转移而不是耗散。这样，在充电时，让电压最先达到100%的电池B自放电给A和C，三个电池再一起充满；放电时也是一样，当电池B剩余电量过低时，让A和C给B“充电”，让电芯B不会那么快触及停止放电的SOC阈值。

主动均衡技术主要特点
（1）均衡削高补低，提高电池组的使用效率：在充放电及静止过程中，均可以对电压高的电池放电，对电压低的电池充电；
（2）低损耗能量转移：能量主要是转移，而非单纯的损耗，提高了电能的利用效率；
（3）均衡电流较大：一般均衡电流在1～10A，均衡更快；
主动均衡需要配置相应电路和储能器件，体积大，成本上升，这两个条件一起决定了主动均衡不容易推广应用。另外，主动均衡的充放过程，无形中增加了电池的循环次数，对于本身需要充放电才能实现均衡的电芯，额外的工作量可能造成其超越一般电芯的老化，进而造成与其他电芯更大的性能差距。

注意：有专家认为，上面的两个表述应该对应于耗散型均衡和非耗散型均衡。而主动还是被动，应该取决于触发均衡过程的事件，系统到达那个状态不得不进行的就是被动。如果是人为设定，在可以不均衡的时候设置了均衡程序，才称为主动均衡。
例如，放电放到最后，电压最低的电芯已经到达了放电截止电压，而其他电芯还存有电量。这时候，系统为了把尽量多的电都放掉，于是把高能量电芯的电部分的转移给低能量的电芯，使得放电过程又进行下去，直到把全部电量放干净，这是被动均衡过程。如果在放电至电量还有40%的时候，系统预计到，在放电截止的时候会出现不均衡，于是起动均衡过程，这才是主动均衡。

四、均衡策略

当前的均衡控制策略中，有以单体电压为控制目标参数的，也有人提出应该用SOC作为均衡控制目标参数。以单体电压为例。

• 首先设定一对启动和结束均衡的阈值：例如一组电池中，单体电压极值与这组电压平均值的差值达到50mV时启动均衡，5mV结束均衡。
• BMS按照固定的采集周期采集单体电压，计算平均值，再计算每个单体电压与均值的差值；
• 如果最大的一个差值达到了50mV，BMS就需要启动均衡程序；
• 在均衡过程中持续步骤2，直到差值都小于5mV，结束均衡。

需要注意的是，不一定所有BMS都是这个步骤，后续策略根据均衡方式的不同可能有所不同。