剖析電池系統「均衡」本質，非低品質電池救命稻草

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平全文 2018，07，29

系統「均衡」技術並非新概念

「電池均衡」並不是新鮮的名詞，至少在鎳鎘電池上使用了30年。只是早期的技術簡單、低效，其原理和方法是：使用功率型電阻，把串聯中最高的哪節電池單體電壓，採用耗能的形式降下來，縮小壓差；同時，可防止因過充導致的事故。和今天的技術發展相比，在硬體和軟體管理方面，沒有可比性。但就其機理而言是相同的，同樣是：保障電池的安全性、縮小單體電池差異性。

「均衡」技術因電池串聯而生

電芯在系統中的應用，主要是通過串聯形式，獲取高電壓，來滿足負載要求。比如說額定48V電源的電壓，是由單體標稱3.7V ，12~13顆單體電芯串聯而成的電壓疊加效應。12~13顆電芯個體，因生產工藝的差異性，例如，生產日期、環境差異、極片厚度、面積、電解液加註量等等環節，是無法做到一模一樣的，只能在一定範圍內滿足偏差要求。所以，其本徵物理量的差異性，就不難理解了。但是其串聯迴路，在充放電時，流過的電流是一樣的。如果使用r代表一顆電芯的內阻,哪么，因內阻的差異，就會導致單體電芯表現的電壓不同。當在充電環節時，內阻大的會提前充滿或接近上限電壓，這個時候，為了防止過充損壞或導致災難性結果，就需要把最高的單體電壓拉下來，接近或保持在上限數值內。這就是均衡的一種形式，也是均衡技術的原型和基礎。在最早2010版的leaf，就採用了這種技術。我常把它歸結為「保護型均衡」。原因是，其主要功能還是為了防止過充。

「均衡」是實現單體本徵特性達到或趨於一致的過程

或者說，均衡是讓每個單體參數接近一組電芯的平均值。電壓是電池本徵參數之一，很多時候，均衡最直接的表現形式，就是電壓的均衡。均衡前，串聯的電芯個體，表現出來就是電壓的不一致性。縮小壓差，達到規定的數值，是均衡的另一種形式，也是最終需要實現的功能。

因串聯單體差異，SOC上限只能接近100%

從理論上計算，單體電壓按相同值計算，其荷電狀態 SOC應為100%，U=V1×n。但是，現實應用中，SOC是不可能做到滿滿的。這一點，需要技術人員的理解，在設計過程中，提出技術需求時，只能是接近100%的數值，例如，上限SOC是95%，這是合理的。這個數據的確定，需要通過電芯本體的特性、系統的集成水平，通過實驗獲得。

如果是面對客戶的一些指標，的確也有SOC 100%估值提法，比如說在儀錶顯示，但這是為了更好的讓客戶理解的一種做法。並不完全代表真實數據。

通過「均衡「，提升系統可用容量，這是怎麼回事？

這個問題需要從兩個方面說起：一方面，站在充電的環節來分析，當沒有均衡電路功能時，串聯中，某一單體電壓達到上限時，監控電路上報後啟動控制電路，停止繼續充電；當具備均衡電路功能時，會即時監控壓差和上限電壓狀態，並適時啟動均衡功能，拉高就低。實際上，等於延長了系統充電時間。充進去的容量，自然要大於沒有均衡功能的電路。其本質：通過壓差值控制、上限值控制增加了可充容量。

另一方面，從SOC可使用範圍說起，當沒有均衡功能時， SOC 兩頭的彈性區間是很「厚」的，虛值很大，為了保證安全，電池通常在20%到80%的SOC範圍內使用，提供給負載只有60%。如果增加了均衡功能，SOC範圍完全可能從5%到95%，將可使用數值百分比增加到90%。其實，是讓電池可用部分增加了。其本質表現為改變了DOD（充放電深度）。當然了，SOC 窗口邊界數值，會因電芯不同、BMS 不同，而存在差異的。不要拘泥於案例數值。

所以說，均衡功能更多的是改變了「木桶」原理最短的哪一塊板。

改變DOD深度，讓電池更高效

從上述分析，均衡電路的應用，可以很好的拓展SOC應用區間。假如說，一個系統10KWh, 如果可以提升10%的利用率，成本、重量、能量密度的貢獻，都是相當可觀的。當然了，SOC 區間可用部分，並不完全取決於均衡，還有多種因素存在，例如:電化學因素導致的SOC區間緩衝區間、SOC演算法估計導致的SOC緩衝區間等，都是可用區間變窄的原因。所以說，電池系統，才有了「掐頭去尾」這麼一種說法。但是，均衡電路在其中的貢獻是一定存在的。需要綜合評估。我們有時評經驗設定下限的做法，一個台階就是5%，10%，沒有根據電芯固有特性、環境溫度等分別標定對待SOC邊界，做到精打細算，對於電池效率是一種很大的浪費。

均衡作用不會改變電芯固有本質

前面重點闡述均衡本質，我們再回頭看看，對電芯的影響程度。電芯的本徵，重點體現在內阻、電壓的變化，這是可以直接測量的，潛在對應的是計算得出的功率和容量。在均衡功能對改善電池系統狀態方面，一直存在不同觀點和爭議。但是，有一點是可以肯定的：增加均衡功能，是無法改變電芯個體固有特性的。但是，是否可以延緩電芯性能的衰減，有待於進一步研究和使用數據證明。所以說，一味的把均衡功能作用誇大，是不正確的。

國內外產品對均衡功能不同的應用和理解

在分析leaf、Volt、寶馬等國外車型的時候，發現其均衡功能，和我們理解的存在偏差：一方面從均衡硬體上，其均衡電流在100~200mA之間，這麼小的電流平衡，其作用微乎其微。也有人歸結為電芯高品質毋須大電流均衡。另一方面，在設計均衡硬體電路方面顯得非常謹慎，例如，採用專屬自己和產品的晶元，全面的散熱、間隔設計；充分的冗餘設計。

總之，我認為其設計的核心，還是站在系統安全的高度完成的。高品質電芯，的確可以使均衡電路簡化，有力的保障了系統的安全性、可靠性。同時，均衡本質是在迴路內的能量內循環。故障的發生可導致嚴重的後果。所以，切莫照顧電芯的品質，棄安全於不顧。這樣也會誤導了均衡的發展方向。

均衡技術，不是低品質電池的救命稻草

我在看到一些BMS廠家，拚命的把均衡電流放大，來迎合國內一些低質電池的應用。其實，這真得不是 BMS廠家的買點和初衷，更多的是他們的無奈，因為他們也得在國內市場存活。需要反思的：是整車廠提出得技術要求的嚴謹程度、電池廠家配套的電芯品質。國內電池與國外電池仍然存在大的差距，這是共識，所以說，國內電芯品質提升已然是迫在眉睫的事情，不僅需要前段一致性做好，關鍵是後段一致性也需要過硬。再輔於高效的均衡，這才是合理的和正確的發展思路。

進一步研究和探索

系統均衡，首先能保障系統更安全；其次是促進可充放電容量增加。其在深充深放的EV應用中，更能體現其優勢。隨著新能源發展的深入，還有更多的技術問題需要研究分析，例如：均衡工作點的最優切入點；如何準確捕捉判斷電池狀態；如何有效降低電池個體衰減速度等等，都是需要不斷解決的問題。