锂离子电池均衡的What和How

在这篇文章中讨论了一个经常被忽视的主题——均衡策略。大多数科学论文涉及不同的电气方案以最大限度地增大均衡电流，然而均衡的另一个重要因素是决定作用于哪个电芯的电流：这就是所谓的均衡策略。本文分为三章：第一章讨论了要均衡的原因；第二章概述了可能的有源均衡电路，接着是第三章给出了不同电路可能的均衡策略。

1、为何要均衡？

在讨论均衡策略之前，首先理解为何要均衡是很重要的。固定能量存储应用或电动汽车的电池包，如特斯拉(Tesla)Model3，要由数千个单体电池组成。串联和并联电芯的数量由应用决定。通常，电力电子的标称电压决定了串联电芯的数量，应用的总功率和能量需求以及应用电芯的电学特性决定了并联电芯的数量。不同规格的电芯具有不同的优势，例如应用大容量电芯比小容量电芯更容易组装，并且要的监视也更少。小容量电芯相关于大容量电芯的优点是灵活性、安全性和可靠性。电池包的老化行为与电芯容量无关，通常源自单个电芯。

实际上，由于制造公差的不同，比如电极厚度和整体组件连接性的不同，电芯的特性会略有不同。由于制造精度有限，即使是同一批次的电池，其初始容量和阻抗也各不相同。这些参数偏差呈高斯分布。此外，与初始分布相比，循环老化新增了电芯参数的方差，即使在相同的老化条件下，电芯参数的差异也会新增。

由于这种电芯间的偏差，电池组中的电芯电压监测是一项至关重要的任务。特别是保持电芯电压在充电结束和放电结束的限制是至关重要的，以防止安全隐患和电芯过早退化。由于参数的变化，电池串中的一个电芯块比其他电芯块更早达到这些限制。假设每个电芯块在放电过程的开始就充满了电，当放电时，通常容量最小和/或阻抗最高的电芯块首先达到放电结束的标准，因此未使用的容量保留在剩余的电芯块。当再次充电时，类似的问题也会发生。电池串中的一个电芯块将先于其他电芯块到达充电结束条件，并使它们处于未完全充电的状态。因此串联是导致电池容量降低的原因。除了上述的内在容量和阻抗变化，自放电率的偏差也影响电芯块电压的差异。随着电池串中电芯块间电压偏差的增大，可利用容量进一步受到限制，最终使电池寿命比电芯短。例如冷却不足等外部因素导致电芯间产生温度梯度等，会导致电芯块不同的功率和容量衰减，进而限制电池容量。均衡系统通常通过影响电池电压来使得每个电芯块都能够达到的充电结束电压或充电结束和放电结束电压，进而新增可用容量和寿命。

2、均衡电路概览

一般来说，均衡电路可分为有源电路和无源电路。无源均衡电路的特点是没有任何开关来控制电路，因此它们不适用于均衡策略，因为均衡负载不受影响。另一方面，主动均衡电路允许通过主动启用或禁用均衡过程来影响均衡过程。图1对最常见的有源均衡电路进行了分类和总结。通过重新分配负载的方式，可以区分出五个重要类别。在类别下面列出了一些常见实现的摘录，每个实现都根据以下三个特征进行标记：

图1主动均衡方法分类

非耗散解决方案试图重新分配电池内的电荷，以减小电池的不均衡和能量损失。相反，耗散解将多余的能量转化为系统不可用热量。在这个概述中，只有旁路电阻和旁路晶体管是耗散均衡电路。

双向解决方案能够将能量转移到电芯，也能将能量转移到电芯外，从而实现电池的均衡。双向解决方案的优点是新增了额外的自由度：均衡电流的方向，这允许新增或减少电芯的负载。

电芯独立解决方案考虑所有实现，这些实现允许独立地控制每个电芯的均衡过程。这一功能供应了最大的灵活性，因为单个电芯可以充电，其他电芯可以同时放电。

3、均衡策略

最优均衡策略应以最大化可用容量和保证电池的均匀及最小化老化为目标。为了最大限度地提高电池的可用容量，均衡策略应保证电池中的每个电芯同时达到充电结束和放电结束的标准。为了避免加速和不均匀老化，均衡策略应降低电芯间的温度梯度。下文将讨论如何结合均衡电路和均衡策略来实现这两个目标。

耗散型均衡电路策略

耗散均衡电路是最先进的，因为它们简单而经济。不利的是它们的最低自由度，它们只能对电芯进行放电。由于其耗散特性，通常充电时进行均衡，以避免额外的损失。耗散均衡电路可以实现三种可能的策略：

顶部均衡应用于充电过程的末尾。当电池串中第一个电芯块达到充电结束电压时，停止充电，在一定的弛豫时间后，测量电压最低的电芯块与其他电芯块之间的电压差。Kindermann等人研究表明，文献中的弛豫时间跨度在1~24小时之间。弛豫时间是为了让电芯的过电位衰减以便测量开路电压（OCV）。下一步，电压较高的电芯块被旁路放电到电芯电位最低的电芯块的电压水平。之后电池再次充电，直到其中一个电芯块再次达到充电结束电压。这个过程可以重复应用，直到一个停止条件。正常情况下，目标电压差极限是在充电过程结束时达到的。

持续均衡试图消除充电过程中的电压差异。这种方法比顶部均衡更困难，因为必须考虑电芯的过电位。因此要一个模型，例如等效电路模型（ECM）来消除由阻抗引起的电压差。这种方法的优点是节省时间，因为不要额外的时间来松弛电芯。

底部均衡遵循与顶部均衡类似的策略。在放电周期结束时，当第一个电芯块达到放电电压结束时，该电芯块被均衡。经过一定的弛豫时间后，电压较高的电芯块被旁路放电到电压最低的电芯块的电压水平。同样弛豫时间是为了让电芯的过电位衰减以便测量开路电压（OCV）。这个过程重复进行，直到电芯块之间的电压差达到一个目标极限。之后均衡的电芯块再次充电。

均衡电流的范围取决于电芯块之间的电压分布和可用的均衡时间。均衡时间越短，电芯块之间的不均匀性越大，均衡电流就越大。关于具有旁路电阻的耗散均衡电路的典型应用，均衡电流固定在200mA以下。这种大小的均衡电流不足以影响电芯产热。旁路晶体管均衡电路允许通过调节晶体管电阻来调整均衡电流。然而，即使均衡电流足够大，温度梯度也只能通过新增较冷电池的温度来降低。在温和的操作条件下，这将导致更均匀的老化，但有加速老化的风险。因此，度电芯块之间的最小温度梯是不可能通过耗散均衡电路实现的。

非耗散型均衡电路策略

非耗散电路能够在电芯之间重新分配电荷，因此均衡过程不会浪费能量和产热，充电过程和放电过程均可进行均衡。由于均衡电路的不理想特性只有一小部分重新分配的能量发生损失。均衡电压差是通过将电荷从高电压的电芯块转移到低电压的电芯块来实现的，因此电池的可用容量新增了。由于电芯之间的初始差异很小，均衡电流也很小，但可能随着老化上升而新增。均衡电流可应用于所有工作状态，因此要一个模型来考虑电芯过电位，就像在持续均衡的情况下一样。

此外，电荷的重新分布使非耗散电路能够影响电池块的产热，这使得可以通过降低电芯块在较高温度下的负荷来追求均匀和最小化老化的目标。均衡电路必须处理的电流量取决于电池的特性。Bernadi等人的研究表明，电芯产生的热量与极化热有关，极化热是电芯过电位和电流的乘积。过电位是由欧姆损耗、电荷转移过电位和传质限制引起的，这取决于电池的设计和活性材料。

均衡电路的效率是另一个影响因素。用于非耗散电路的转换器，通常具有与负载相关的效率，当运行在相对较低的负荷时，转换器的效率很低，并表现得几乎像耗散电路。因此，均衡电路的设计以及均衡电路应处理的最大和最小负载起着重要的作用。

4、结论

最先进的耗散均衡电路，如旁路电阻电路，假如满足以下假设：首先热管理是精心设计的，避免电芯块之间的温度梯度，避免导致电芯不均匀老化。其次电池容量和电阻的电池参数变化在电池的使用寿命内必须保持足够小，因而不会造成电芯块之间的电压偏差过大限制电池的可用容量。在这两个假设下，通过均衡消耗的能量最小，均衡电流相对较低。此外，通常不要模型或复杂的策略来均衡。

然而假如违反一个假设，非耗散均衡电路的开销是合理的，因为它能够降低电压和电芯块之间的温度梯度，从而新增可使用容量，并保证均匀老化。为了实现同时追求温度和电压梯度降低这两个目标的策略，要对热和电参数进行建模。假如考虑电池和冷却系统之间的相互作用，模型的复杂性会随着电池中电芯数量的新增而新增。除了电芯参数外，均衡电路与负载电流相结合的变换器设计也至关重要。