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氣宗VS劍宗？論BMS的主動均衡和被動均衡
發(fā)布時間：
2016-03-01
主動均衡和被動均衡，是電動汽車BMS業(yè)界爭論熱點之一。像極了華山劍派的氣宗和劍宗，業(yè)內(nèi)爭論的不亦樂乎，業(yè)外看的卻是不明所以。
均衡之于動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)動機，沒有均衡功能的BMS只是一個數(shù)據(jù)采集器，很難稱得上是管理系統(tǒng)。主動均衡和被動均衡都是為了消除電池組的不一致性，但兩者的實現(xiàn)原理可謂是截然相反。因為也有人把依靠算法由BMS主動發(fā)起的均衡都定義為主動均衡，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均衡，凡是通過能量轉(zhuǎn)移實現(xiàn)的均衡都稱為主動均衡。
被動均衡先于主動均衡出現(xiàn)，因為電路簡單，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。
因為BMS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)計出專用IC,開始只是檢測電壓和溫度，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功能加入到IC中(因為這個放電控制的功能容易集成進芯片里)，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)動做到芯片里，有的甚至試圖將開關(guān)也做進了芯片里。從被動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，被動均衡做的工作就是“截長不補短”。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，因為將電能轉(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，要達到平衡需要很長時間，在應(yīng)用中有種隔靴搔癢的感覺。權(quán)衡利弊，所以現(xiàn)在被動均衡的電流一般都在百毫安(100mA)級別。
因為被動均衡的局限，主動均衡的概念得以提出并發(fā)展。主動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)于對木板“截長補短”。因為不像被動均衡只有“截”，在如何“補”的問題上業(yè)內(nèi)充分發(fā)揮了各自的優(yōu)勢和想象力，主動均衡的方案可謂異彩紛呈。除了飛度電容的方案(因為適用串?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撲結(jié)構(gòu)。半導(dǎo)體廠家也設(shè)計了電池專用的DCDC轉(zhuǎn)換芯片，命名為主動均衡控制芯片來推向市場，顯然是不想錯過這班車。
主動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??；均衡電流可以設(shè)計的大，達到幾安甚至10A級別，均衡見效快。雖然有這些好處，主動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，驅(qū)動要怎么控制，這都是令人頭痛的問題，所以這也是為什么至今主動均衡功能無法完全集成進專用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上實在是力有不逮。對BMS整機廠家也是如此，主動均衡電路結(jié)構(gòu)方面，少有廠家的設(shè)計可以令人耳目一新，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)在有主動均衡功能的BMS售價會高出被動均衡的很多，這也多少限制了主動均衡BMS的推廣。
因為兩種均衡功能各有利弊，本來主動均衡功能是可以替代被動均衡功能的，但因為結(jié)構(gòu)復(fù)雜成本高，而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜之后故障率也會高而與被動均衡處于膠著狀態(tài)，業(yè)內(nèi)人士常為了哪種均衡更好爭論不休。特斯拉的BMS均衡功能(被動均衡，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均衡強于主動均衡。其實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大有限，用被動均衡就足夠了。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，主動均衡在動力型鋰電池組應(yīng)用中會更適合。
被動均衡適合于小容量、低串?dāng)?shù)的鋰電池組應(yīng)用，主動均衡適用于高串?dāng)?shù)、大容量的動力型鋰電池組應(yīng)用。對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，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，也就是有電池處于受損狀態(tài)時，電量和電壓相關(guān)性就沒那么強了，這時的均衡依據(jù)，就不能單以電壓這一數(shù)據(jù)來判斷。如果意識不到有電池損壞到臨界狀態(tài)以下，依然根據(jù)電壓均衡，反而會對電池造成傷害，尤其是主動均衡，因其電流大造成的傷害會比被動均衡更大。
電動自行車發(fā)展史上，有過“電池不是被用壞的，而是被充壞的”說法，電池損壞的矛頭指向了充電器廠家。不知電動汽車發(fā)展史上是否也會上演同樣的歷史：“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，主動均衡和被動均衡都可以算劍宗，一個輕劍一個重劍，均衡策略算是氣宗。只有氣劍同練，才好在市場上華山論劍。
(本文來自第一電動汽車網(wǎng)）
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