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氣宗VS劍宗？論BMS的主動(dòng)均衡和被動(dòng)均衡
發(fā)布時(shí)間：
2016-03-01
主動(dòng)均衡和被動(dòng)均衡，是電動(dòng)汽車BMS業(yè)界爭(zhēng)論熱點(diǎn)之一。像極了華山劍派的氣宗和劍宗，業(yè)內(nèi)爭(zhēng)論的不亦樂乎，業(yè)外看的卻是不明所以。
均衡之于動(dòng)力鋰電池組的重要性就不再贅述，沒有均衡的鋰電池組就像是得不到保養(yǎng)的發(fā)動(dòng)機(jī)，沒有均衡功能的BMS只是一個(gè)數(shù)據(jù)采集器，很難稱得上是管理系統(tǒng)。主動(dòng)均衡和被動(dòng)均衡都是為了消除電池組的不一致性，但兩者的實(shí)現(xiàn)原理可謂是截然相反。因?yàn)橐灿腥?/span>把依靠算法由BMS主動(dòng)發(fā)起的均衡都定義為主動(dòng)均衡，為避免歧義，這里把凡是使用電阻耗散能量的均衡都稱為被動(dòng)均衡，凡是通過能量轉(zhuǎn)移實(shí)現(xiàn)的均衡都稱為主動(dòng)均衡。
被動(dòng)均衡先于主動(dòng)均衡出現(xiàn)，因?yàn)殡娐泛?jiǎn)單，成本低廉至今仍被廣泛使用。其原理是依照電池的電量和電壓呈正相關(guān)，根據(jù)單串電池電壓數(shù)據(jù)，將高電壓的電池能量通過電阻放電以與低電壓電池的電量保持相等狀態(tài)，也有以最高電壓為判據(jù)，比如三元鋰電最高4.2V，凡是超過4.2V就開始放電均衡。
因?yàn)锽MS概念和產(chǎn)品最早是由國外提出，國外半導(dǎo)體廠商最先設(shè)計(jì)出專用IC,開始只是檢測(cè)電壓和溫度，后來均衡的概念提出后，就采用了電阻放電的方法并將這個(gè)功能加入到IC中(因?yàn)檫@個(gè)放電控制的功能容易集成進(jìn)芯片里)，現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的TI\MAXIM\LINER均有此類芯片在產(chǎn)，有的是將開關(guān)驅(qū)動(dòng)做到芯片里，有的甚至試圖將開關(guān)也做進(jìn)了芯片里。從被動(dòng)均衡原理及示意圖中我們可以看出，如果電池組比作木桶，串接的電池就是組成木桶的板，電量低的電池是短板，電量高的就是長板，被動(dòng)均衡做的工作就是“截長不補(bǔ)短”。電量高的電池中的能量變成熱耗散掉，電能使用效率低。不僅如此，因?yàn)閷㈦娔苻D(zhuǎn)變成熱量耗散，帶來了兩難的問題，這就是如果均衡電流大，熱量就多，最后如何散熱成為問題；如果均衡電流小，那么在大容量電池組中、電量差別大的情況下所起到的電量平衡作用效率很低，要達(dá)到平衡需要很長時(shí)間，在應(yīng)用中有種隔靴搔癢的感覺。權(quán)衡利弊，所以現(xiàn)在被動(dòng)均衡的電流一般都在百毫安(100mA)級(jí)別。
因?yàn)楸粍?dòng)均衡的局限，主動(dòng)均衡的概念得以提出并發(fā)展。主動(dòng)均衡是把高能量電池中的能量轉(zhuǎn)移到低能量電池中，相當(dāng)于對(duì)木板“截長補(bǔ)短”。因?yàn)椴幌癖粍?dòng)均衡只有“截”，在如何“補(bǔ)”的問題上業(yè)內(nèi)充分發(fā)揮了各自的優(yōu)勢(shì)和想象力，主動(dòng)均衡的方案可謂異彩紛呈。除了飛度電容的方案(因?yàn)檫m用串?dāng)?shù)低，轉(zhuǎn)移有局限性而未能成為主流)，還有變壓器的方案，變壓器方案中又有各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。半導(dǎo)體廠家也設(shè)計(jì)了電池專用的DCDC轉(zhuǎn)換芯片，命名為主動(dòng)均衡控制芯片來推向市場(chǎng)，顯然是不想錯(cuò)過這班車。
主動(dòng)均衡帶來的好處顯而易見：效率高，能量被轉(zhuǎn)移，損耗只是變壓器線圈損耗，占比小；均衡電流可以設(shè)計(jì)的大，達(dá)到幾安甚至10A級(jí)別，均衡見效快。雖然有這些好處，主動(dòng)均衡也帶來了新的問題。首先是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尤其是變壓器方案。幾十串甚至上百串電池需要的開關(guān)矩陣如何設(shè)計(jì)，驅(qū)動(dòng)要怎么控制，這都是令人頭痛的問題，所以這也是為什么至今主動(dòng)均衡功能無法完全集成進(jìn)專用IC的原因，半導(dǎo)體廠家一直希望能做出大一統(tǒng)的芯片，但在BMS上實(shí)在是力有不逮。對(duì)BMS整機(jī)廠家也是如此，主動(dòng)均衡電路結(jié)構(gòu)方面，少有廠家的設(shè)計(jì)可以令人耳目一新，擊節(jié)叫好。其次是成本問題，復(fù)雜的結(jié)構(gòu)必然帶來復(fù)雜的電路，成本與故障率上升是必然的，現(xiàn)在有主動(dòng)均衡功能的BMS售價(jià)會(huì)高出被動(dòng)均衡的很多，這也多少限制了主動(dòng)均衡BMS的推廣。
因?yàn)閮煞N均衡功能各有利弊，本來主動(dòng)均衡功能是可以替代被動(dòng)均衡功能的，但因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)復(fù)雜成本高，而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜之后故障率也會(huì)高而與被動(dòng)均衡處于膠著狀態(tài)，業(yè)內(nèi)人士常為了哪種均衡更好爭(zhēng)論不休。特斯拉的BMS均衡功能(被動(dòng)均衡，見下圖中Cell balancing circuit中所指均為放電電阻)經(jīng)常被示范以證明被動(dòng)均衡強(qiáng)于主動(dòng)均衡。其實(shí)這反而證明了任何技術(shù)選擇都要和整體條件適用的道理。特斯拉的電池是松下提供的特制的18650鋰電池，本身一致性非常好，而且在壽命期間一致性差異擴(kuò)大有限，用被動(dòng)均衡就足夠了。不像我國從電池原材料到生產(chǎn)工藝還有待提高，電池一致性離散程度還比較大，主動(dòng)均衡在動(dòng)力型鋰電池組應(yīng)用中會(huì)更適合。
被動(dòng)均衡適合于小容量、低串?dāng)?shù)的鋰電池組應(yīng)用，主動(dòng)均衡適用于高串?dāng)?shù)、大容量的動(dòng)力型鋰電池組應(yīng)用。對(duì)BMS來講，除了均衡功能非常重要，背后的均衡策略更為重要。在電池單體的一致性差異在一定范圍內(nèi)時(shí)，電池的電量和電壓成正相關(guān)；但是當(dāng)電池的一致性差的遠(yuǎn)，也就是有電池處于受損狀態(tài)時(shí)，電量和電壓相關(guān)性就沒那么強(qiáng)了，這時(shí)的均衡依據(jù)，就不能單以電壓這一數(shù)據(jù)來判斷。如果意識(shí)不到有電池?fù)p壞到臨界狀態(tài)以下，依然根據(jù)電壓均衡，反而會(huì)對(duì)電池造成傷害，尤其是主動(dòng)均衡，因其電流大造成的傷害會(huì)比被動(dòng)均衡更大。
電動(dòng)自行車發(fā)展史上，有過“電池不是被用壞的，而是被充壞的”說法，電池?fù)p壞的矛頭指向了充電器廠家。不知電動(dòng)汽車發(fā)展史上是否也會(huì)上演同樣的歷史：“電池不是被用壞的，而是被均衡壞的”。這值得所有BMS廠家提高警惕，均衡方式和均衡策略都需要重視。按華山劍派的說法，氣宗練氣是為了最后以氣御劍，心劍合一。比照起來，主動(dòng)均衡和被動(dòng)均衡都可以算劍宗，一個(gè)輕劍一個(gè)重劍，均衡策略算是氣宗。只有氣劍同練，才好在市場(chǎng)上華山論劍。
(本文來自第一電動(dòng)汽車網(wǎng)）
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