钜大LARGE | 点击量：1136次 | 2021年04月14日
锂离子电池组无损均衡继电器应用探讨
电池化时代即将到来。无论是新能源车业，还是分布式储能业，电池的使用量已呈现爆炸式扩张。由于单体电池的电压较低，各应用场合都要将电池级联来提升总电压，但电池单体的性能差异性，电池组在使用过程中不可防止的出现各级联电压出现偏差，均衡概念随之应用而生。
电池组均衡属于BMS（电池管理系统）的管理策略之一，出于成本的考虑，虽然现有的均衡方法已有多类，但应用案例中多采用最简的有损放电法，且效率不高。目前的均衡方法大多以电池组中单体电池一致性非常高为前提，考虑未来二次电池的梯次利用，有必要设计更佳更简更加有效的均衡方法及策略。
纵观当前的均衡方法，电阻放电法方法最简，缺点是效率低，属于有损均衡；电感、变压器、升降压等方法电路复杂、成本高；一种电磁继电器组加电容方法（见图1），其优点是成本低，电路简单，属无损均衡，缺点是转换频率低，电触点熔粘时有短路风险。
图1中，假设执行均衡指令，5个单体电池中电压最高的电池对应的继电器先吸合，电容充电；断开继电器，再选取电压最低的电池对应的继电器吸合，电容放电，继电器断开，完成一个均衡循环。众所周知，电磁继电器不适用于频繁切换场合，因此图1的理论均衡效
率将是非常低下的。假如将电磁继电器更改为电子开关，由于电池间电压差较小，电子开关本身有一定的电压降，采用单纯的电子开关加电容策略时将几乎没有均衡效果发生。针对电磁继电器切换频率较低的特性，可行的方法是将电容更改为后备辅电池，并新增升降压电路，
符合Exic IIB T4 Gc防爆标准
充电温度：0~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃最大放电倍率：1C
-40℃ 0.5放电容量保持率≥70%
利用后备辅电池较大的电容量来对相关电池单体进行较长时间的充电或放电。后备辅电池概念的诞生，使二次电池梯次利用时的深度均衡得到可能，相关技术方法在发明专利申请（2018107804736）中有详细表述，此处不谈。
回到图1的观察，假设J1至J5继电器能够工作在较高的切换频率，且不会发生触点粘结的短路故障，那么图1电路将达到一个很好的均衡效果。将图1电路变形，如图2所示：
比较图1、图2可知，图1中5只继电器组成的继电器组在图2中变成了只有一组动触点、五组静触点的某种元器件。假设五组静触点布设于某一个圆盘片上，一组动触点由旋转臂驱动，动力源为电机，则图1的均衡电路具有了切换速度快，不怕级间短路的高效率均衡方法。
由此诞生一种全新的继电器种类，可命名为旋转继电器，其特别适用于电池组均衡应用。一只旋转继电器可替代多只单独的电磁继电器，成本上也将大大降低。且旋转继电器只有一个电机旋转指令，自主均衡，相较电磁继电器组具有所需开关点少、均衡期间无需频繁采样电池电压等优点，真正达到了电路最简化、运算最简化的均衡策略目标。
当电池组各单体电池一致性较好，电压差较小时，可采用继电器加电容方法来进行均衡策略；当电池组一致性较差时，则应采用继电器加后备辅电池方法（也可配置升降压电路）来进行均衡。电容均衡法，均衡电流小，则单一旋转继电器内部可集成多达20组以上静触点，且单体体积小巧。后备电池均衡法，均衡电流较大，则单一旋转继电器内部静触点组数较少为宜，以汽车电源为案例，静触点组数设置为4组时，可发挥有效配置。
电容法均衡继电器采用持续旋转方式工作，辅电池法均衡继电器采用正反转定位方式工作。
以特斯拉某型汽车电池为例，其单体电池总数量7104节，单级74并，则级联串数为96串，按电容法均衡方法，每继电器可均衡204/8串电池串，则最低只需5只持续旋转继电器即可完成均衡工作。此处的均衡指每继电器对应电池串之间，按此计算，96串电池最多会有5个不同电压值出现。
理论上来说，也可以设计一种触点数较少，过电流能力较强的持续旋转继电器额外配置来消除所述的5个不同电压值，但不建议这样设计。特别的，汽车电池在某些串组出现隐患时，对行驶安全有极害处。
因此，在电容均衡法的基础上，新增配置后备辅电池均衡方法，是汽车电池安全使用的的一种可靠手段。仍以上述特斯拉电池为例，在96串的基础上，总电池组细分为16小组（串联），每小组6个包（串联）。
我们以16组为准，每四组对应接入一只四通道正反转定位继电器，则需4只定位继电器，此4只定位继电器再级联一只负载能力更强的四通道定位继电器，然后引出一付均衡接点到电池箱外部，例如以一个二芯插座体现在电池箱表面。额外地，当我们将一只容量较大的后备电池（含升或降压电路）插头插入均衡插座时，16组电池中哪组电池电压偏低，5只定位继电器组合（4+1）选中其，后备电池电路工作时，则向其供给可调节的电能量。
按此可知，大容量的后备电池，不仅起到了均衡用途，也可以起到增程用途，还能在木桶效应触发时由后备电池代替短板，保障汽车安全行驶。
因此，上述两类旋转继电器的实际应用，将对当前的均衡方法起到积极有效的前瞻用途。两类旋转继电器的结构设计，共同点是都以盘片式静触点组加旋转臂式动触点组相结合，不同点是按触点容量大小来设计触点面积和组数，以及按均衡方式来确定是持续旋转还是正反转定位。以下以两个实例来论述。
例如以目前已有应用的某种17串锂离子电池组，标称电压60V，多用于二轮电动汽车。在该电池组内增配一只体积小巧的持续旋转继电器，BMS板重新编程一个继电器电机启动指令，则完美地达到了该种电池的均衡目标。具体地，建议电池充电时始终均衡，则充电量达最大值；
电池骑行放电中，各电池串电压差超设计值时，均衡若干时间再停止，重新监测电压差，以决定是否再次均衡。其继电器盘片和旋转臂设计见图3。
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在继电器盘片正面布设四圈导电环道，内两圈为持续滑触线，滑触线在盘片背面引出导线，连接一只高容高阻低漏电的电容器；外两圈为等分的17组滑触点，盘片背面，第一组滑触点（红、蓝色块所示）的负端（蓝块）与第二组正端短接，按序操作，直至第17组负端终止。每组正端引出导线，加第17组负端，共计18根导线，与电池组18个节点按序连通。当图3示右边的旋转臂持续旋转时，电容器将与电池组每个单体电池循环并联，电容不断充放电，最终使电池组各单体电池电压趋于一致。
该17通道持续旋转继电器也适用于串级数少于17的电池组，适用对象是单体电池一致性较好的全新电池组。若应用于二次电池，均衡电流不可控将可能使触点烧蚀氧化，失去均衡效果。特别地，为防止某些触点失效，同一组电池可以连接两只继电器，分时运行。两只继电器在同一组号上触点同时失效的概率极低，因此能达到充分的自主均衡。
正反转定位继电器的实例设计目标是大电流均衡，通常含增程（补容）用途，均衡元件是后备辅电池。应用于汽车电池组时，可行的设计方法是配置4组切换触点。当后备辅电池始终接入主电池组时，以均衡目标为主，则辅电池可以不配置升降压电路；当后备电池经常离线更换，单独充电，用于增程目的时，则辅电池需标配升压或降压电路。
4通道型定位继电器的触点设计面积大，且旋臂两只动触点设计在旋转中心两边，以平衡两付动、静触点接合力。为减少接触电阻，定位继电器取消持续旋转继电器中的滑触线概念，用柔性导线方法来应对臂的旋转角差。其继电器盘片和旋转臂设计见图4。
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图4中，在盘片正面布设两圈导电环道，导电环切分为等隔的四组滑触点，内圈的厚短，外圈的细长，第一组触点（红、蓝色块）外圈的标记为A1+，内圈标记A3-，按序标记。然后在盘片背面将A1-与A2+短接、A2-与A3+短接、A3-与A4+短接、A4-引出导线5，再加上图示1、2、3、4号导线，共5线，可连接电池组中四串电压等级相同的电池包（包指单串或多串组合）。
定位继电器的旋臂上每个动触点设计由多个弹片组合而成，以确保过流能力。辅电池接入端直接由旋臂引出，引出导线弯折断裂风险由两个措施来消除，一为旋臂只在325度范围内来回旋转，二是采用柔性导线在旋臂层盘旋一至二圈来消弱导线弯曲用途力。
定位继电器因要精确定位，因此相较持续旋转继电器需多出角度检测或位置检测等元件及电路。仍以汽车电池应用4通道定位继电器为例，在主电池组内配置大4小共计5只四通道定位继电器，1+4模式二级级联，则目标电池串数最大为16。将目标电池组的总串数以整数方式分解为小于等于16的份数，每份数电压等级相同。假设为16等份，每份电压24V时，电池组总电压可达384V，每份电压为48V时，电池组总电压可达768V，此两个电池组电压等级基本涵盖了电动小汽车至电动大巴的应用。
因此，据此设计，在电池组箱体上设置二芯均衡（增程）接口，外接一个容量可选的24V或48V后备辅电池，既做到了对主电池组的部分均衡目标（电池包间均衡），也起到了应急和增程的效果。以上两个应用实例以车载电池使用来论述，车载的要求是元器件小而精巧，当应用环境转移到储能环境而言，上述两种类的旋转继电器的结构设计允许有较大的更改，以适应储能环境的具体要求。
二种类旋转继电器的混合应用或单独应用，在全新电池或梯次利用电池的多样化使用中，都将发挥其高效的均衡用途。并且，随着技术的进步，均衡概念必将淡化，特别是辅电池方法的提出，电池组的安全应用，未来的目标是能量流可控调节。
