BMS均衡的相关原理及解释

1为什么要做均衡?

由于电池使用工艺和材料的本身有差异,及电池实际使用过程中所处的温度、湿度等环境的不同,电池包内部的单体电池存在SOC差异,这个SOC的差异从直观上的体现就是电池的电压不同。

另外一个重要原因是由于电池自身由于极板活性物质脱落,上下极板之间的电位差,导致电池不可避免的存在一定的自放电。而且因为工艺的不同,自放电率也不一样。

因此可以得出一个结论——电池是有差异的。基于这个前提我们来讨论电池的均衡。

组合在一起的电池就是一个团队,我们得帮“猪队友”;
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假设电池包中某个电池的SOC高于其他单体,在充电过程中这节电池会率先充满,导致其他单体还没达到额定容量的时候就停止充电了;同理假设某节电池的SOC低于其他单体,则在放电过程中会首先达到放电的截止电压,从而导致其他单体还有剩余容量无法进行释放;

所以有效的电池均衡不仅能够提高电池包的有效容量,也能在某种程度上提高电池包的寿命,因此我们必须做均衡。

2均衡的原理
均衡电路分为被动均衡和主动均衡。

如果下图,被动均衡,就是把剩余容量多的电池的电量放掉一些,因为放电通过电阻,一般会造成一定的热损耗
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主动均衡,就是将电量较多的电池电量充给电量较少的电池里面去,主动均衡系统上看会更省电

可以看到,主动均衡因为没有额外的热损耗,均衡电流可以做大,而被动均衡则是将所有多出的电量通过电阻放掉,会生热,因此被动均衡电流相对较小,均衡的速率低。

目前所新能源乘用车的均衡方式基本都是被动均衡,这是为什么?一个是电池的一致性越来越好,一个就是被动均衡的方案简单,价格便宜;
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如上图,R1~R6是电池的内阻,因为内阻的存在,当均衡开启的时候,均衡电流会在内阻上形成一定的压降,因此如果在进行均衡的时候去测量电池的电压,测量值会较真实值偏低。因此在进行电压测量的时候,需要在测量的那一时刻关断均衡功能。

因为MOSFET的导通阻抗比较低,在进行均衡的时候MOSFET自身的发热很小,主要的发热都是电阻产生的,因此,芯片厂商将MOSFET集成到芯片内部,降低整体电路成本,如下图
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但下图这种方式有一个缺点,每条线上的均衡电阻都是上下两个电池共用的,因此在均衡的时候,无法同时对相邻的两个电池进行均衡,最大能够同时均衡的数量是总数的一半,因此一般称之为奇偶对开的均衡方式。这种均衡方式的优点就是:便宜!因为集成在芯片内部的MOSFET,成本比外置的MOSFET要低。
而对比外置MOSFET的方式,一个优点就是能够同时开启所有电池的均衡通道,如果有多个电池需要放电的时候,能够以最快的速度同时进行放电。

被动均衡实践中遇到的问题

在进行被动均衡的时候,我们的电池采样线是与均衡线共用一条导线通道的,因此会存在一些耦合的情况,我们经常遇到的情况有以下几种:

1、均衡的时候电压采样误差变大

实际调试BMS均衡电路发现,发现一旦开启均衡,电压的采样误差就会变大,后面发现,电池有内阻,当均衡开启的时候,均衡电流流经电池的内阻,会形成一定的压降,导致电池的采样误差变大。因此在设计软件的时候,需要将均衡和采样分时;而如ADI的BMS AFE芯片,芯片支持采样时候通过标志位来关断均衡;

2、均衡电阻发热过大

我们来计算一下这两种方式下均衡电阻产生的热量

以12节BMS为例,假设以单体电池电压4V时均衡电流要求达到100mA这个目标为基准进行评估。假设MOS导通阻抗为0,电池为理想电池。

对于第一种外置MOS的方式,12个通道同时开启均衡的时候,每个通道100mA的电流,均衡电阻就是40Ω。如下图所示的图例就是这种外置MOS的模型,均衡电阻的发热功率为0.1A0.1A40Ω=0.4W。12个通道就是4.8W。
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对于第二种内置MOS的方式,计算方法需要修改一下,因为12个通道的耦合关系,只能实现奇偶对开,无法将所有通道同时打开,相当于均衡的时间小了一半,又要均衡的效果不变。那么为了达到100mA的均衡电流的目标,在奇通道或者偶通道开启的时候,均衡电流需要增大一倍,那么如下图的模型所示。
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奇通道开启的时候,流经电阻的电流为200mA,6个通道一共12个电阻在发热,单个电阻的瞬时功率为0.2A0.2A10Ω=0.4W,12个电阻就是4.8W。

可以看到,两种方式的功率一样;

我们来设计我们的电阻散热结构,不管是通过PCB自己散热,还是通过导热胶将电阻的发热导到结构件上辅助散热,都需要做好充足的裕量,保障芯片不过热。
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