在這篇文章中討論了一個經(jīng)常被忽視的主題——均衡策略。大多數(shù)科學(xué)論文涉及不同的電氣方案以最大限度地增大均衡電流，然而均衡的另一個重要因素是決定作用于哪個電芯的電流：這就是所謂的均衡策略。本文分為三章：第一章討論了要均衡的原因；第二章概述了可能的有源均衡電路，接著是第三章給出了不同電路可能的均衡策略。

1、為何要均衡？

在討論均衡策略之前，首先理解為何要均衡是很重要的。固定能量存儲應(yīng)用或電動汽車的電池包，如特斯拉(Tesla)Model3，要由數(shù)千個單體電池組成。串聯(lián)和并聯(lián)電芯的數(shù)量由應(yīng)用決定。通常，電力電子的標(biāo)稱電壓決定了串聯(lián)電芯的數(shù)量，應(yīng)用的總功率和能量需求以及應(yīng)用電芯的電學(xué)特性決定了并聯(lián)電芯的數(shù)量。不同規(guī)格的電芯具有不同的優(yōu)勢，例如應(yīng)用大容量電芯比小容量電芯更容易組裝，并且要的監(jiān)視也更少。小容量電芯相關(guān)于大容量電芯的優(yōu)點(diǎn)是靈活性、安全性和可靠性。電池包的老化行為與電芯容量無關(guān)，通常源自單個電芯。

實際上，由于制造公差的不同，比如電極厚度和整體組件連接性的不同，電芯的特性會略有不同。由于制造精度有限，即使是同一批次的電池，其初始容量和阻抗也各不相同。這些參數(shù)偏差呈高斯分布。此外，與初始分布相比，循環(huán)老化新增了電芯參數(shù)的方差，即使在相同的老化條件下，電芯參數(shù)的差異也會新增。

由于這種電芯間的偏差，電池組中的電芯電壓監(jiān)測是一項至關(guān)重要的任務(wù)。特別是保持電芯電壓在充電結(jié)束和放電結(jié)束的限制是至關(guān)重要的，以防止安全隱患和電芯過早退化。由于參數(shù)的變化，電池串中的一個電芯塊比其他電芯塊更早達(dá)到這些限制。假設(shè)每個電芯塊在放電過程的開始就充滿了電，當(dāng)放電時，通常容量最小和/或阻抗最高的電芯塊首先達(dá)到放電結(jié)束的標(biāo)準(zhǔn)，因此未使用的容量保留在剩余的電芯塊。當(dāng)再次充電時，類似的問題也會發(fā)生。電池串中的一個電芯塊將先于其他電芯塊到達(dá)充電結(jié)束條件，并使它們處于未完全充電的狀態(tài)。因此串聯(lián)是導(dǎo)致電池容量降低的原因。除了上述的內(nèi)在容量和阻抗變化，自放電率的偏差也影響電芯塊電壓的差異。隨著電池串中電芯塊間電壓偏差的增大，可利用容量進(jìn)一步受到限制，最終使電池壽命比電芯短。例如冷卻不足等外部因素導(dǎo)致電芯間產(chǎn)生溫度梯度等，會導(dǎo)致電芯塊不同的功率和容量衰減，進(jìn)而限制電池容量。均衡系統(tǒng)通常通過影響電池電壓來使得每個電芯塊都能夠達(dá)到的充電結(jié)束電壓或充電結(jié)束和放電結(jié)束電壓，進(jìn)而新增可用容量和壽命。

2、均衡電路概覽

一般來說，均衡電路可分為有源電路和無源電路。無源均衡電路的特點(diǎn)是沒有任何開關(guān)來控制電路，因此它們不適用于均衡策略，因為均衡負(fù)載不受影響。另一方面，主動均衡電路允許通過主動啟用或禁用均衡過程來影響均衡過程。圖1對最常見的有源均衡電路進(jìn)行了分類和總結(jié)。通過重新分配負(fù)載的方式，可以區(qū)分出五個重要類別。在類別下面列出了一些常見實現(xiàn)的摘錄，每個實現(xiàn)都根據(jù)以下三個特征進(jìn)行標(biāo)記：

圖1主動均衡方法分類

非耗散解決方案試圖重新分配電池內(nèi)的電荷，以減小電池的不均衡和能量損失。相反，耗散解將多余的能量轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)不可用熱量。在這個概述中，只有旁路電阻和旁路晶體管是耗散均衡電路。

雙向解決方案能夠?qū)⒛芰哭D(zhuǎn)移到電芯，也能將能量轉(zhuǎn)移到電芯外，從而實現(xiàn)電池的均衡。雙向解決方案的優(yōu)點(diǎn)是新增了額外的自由度：均衡電流的方向，這允許新增或減少電芯的負(fù)載。

電芯獨(dú)立解決方案考慮所有實現(xiàn)，這些實現(xiàn)允許獨(dú)立地控制每個電芯的均衡過程。這一功能供應(yīng)了最大的靈活性，因為單個電芯可以充電，其他電芯可以同時放電。

3、均衡策略

最優(yōu)均衡策略應(yīng)以最大化可用容量和保證電池的均勻及最小化老化為目標(biāo)。為了最大限度地提高電池的可用容量，均衡策略應(yīng)保證電池中的每個電芯同時達(dá)到充電結(jié)束和放電結(jié)束的標(biāo)準(zhǔn)。為了避免加速和不均勻老化，均衡策略應(yīng)降低電芯間的溫度梯度。下文將討論如何結(jié)合均衡電路和均衡策略來實現(xiàn)這兩個目標(biāo)。

耗散型均衡電路策略

耗散均衡電路是最先進(jìn)的，因為它們簡單而經(jīng)濟(jì)。不利的是它們的最低自由度，它們只能對電芯進(jìn)行放電。由于其耗散特性，通常充電時進(jìn)行均衡，以避免額外的損失。耗散均衡電路可以實現(xiàn)三種可能的策略：

頂部均衡應(yīng)用于充電過程的末尾。當(dāng)電池串中第一個電芯塊達(dá)到充電結(jié)束電壓時，停止充電，在一定的弛豫時間后，測量電壓最低的電芯塊與其他電芯塊之間的電壓差。Kindermann等人研究表明，文獻(xiàn)中的弛豫時間跨度在1~24小時之間。弛豫時間是為了讓電芯的過電位衰減以便測量開路電壓（OCV）。下一步，電壓較高的電芯塊被旁路放電到電芯電位最低的電芯塊的電壓水平。之后電池再次充電，直到其中一個電芯塊再次達(dá)到充電結(jié)束電壓。這個過程可以重復(fù)應(yīng)用，直到一個停止條件。正常情況下，目標(biāo)電壓差極限是在充電過程結(jié)束時達(dá)到的。

持續(xù)均衡試圖消除充電過程中的電壓差異。這種方法比頂部均衡更困難，因為必須考慮電芯的過電位。因此要一個模型，例如等效電路模型（ECM）來消除由阻抗引起的電壓差。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省時間，因為不要額外的時間來松弛電芯。

底部均衡遵循與頂部均衡類似的策略。在放電周期結(jié)束時，當(dāng)?shù)谝粋€電芯塊達(dá)到放電電壓結(jié)束時，該電芯塊被均衡。經(jīng)過一定的弛豫時間后，電壓較高的電芯塊被旁路放電到電壓最低的電芯塊的電壓水平。同樣弛豫時間是為了讓電芯的過電位衰減以便測量開路電壓（OCV）。這個過程重復(fù)進(jìn)行，直到電芯塊之間的電壓差達(dá)到一個目標(biāo)極限。之后均衡的電芯塊再次充電。

均衡電流的范圍取決于電芯塊之間的電壓分布和可用的均衡時間。均衡時間越短，電芯塊之間的不均勻性越大，均衡電流就越大。關(guān)于具有旁路電阻的耗散均衡電路的典型應(yīng)用，均衡電流固定在200mA以下。這種大小的均衡電流不足以影響電芯產(chǎn)熱。旁路晶體管均衡電路允許通過調(diào)節(jié)晶體管電阻來調(diào)整均衡電流。然而，即使均衡電流足夠大，溫度梯度也只能通過新增較冷電池的溫度來降低。在溫和的操作條件下，這將導(dǎo)致更均勻的老化，但有加速老化的風(fēng)險。因此，度電芯塊之間的最小溫度梯是不可能通過耗散均衡電路實現(xiàn)的。

非耗散型均衡電路策略

非耗散電路能夠在電芯之間重新分配電荷，因此均衡過程不會浪費(fèi)能量和產(chǎn)熱，充電過程和放電過程均可進(jìn)行均衡。由于均衡電路的不理想特性只有一小部分重新分配的能量發(fā)生損失。均衡電壓差是通過將電荷從高電壓的電芯塊轉(zhuǎn)移到低電壓的電芯塊來實現(xiàn)的，因此電池的可用容量新增了。由于電芯之間的初始差異很小，均衡電流也很小，但可能隨著老化上升而新增。均衡電流可應(yīng)用于所有工作狀態(tài)，因此要一個模型來考慮電芯過電位，就像在持續(xù)均衡的情況下一樣。

此外，電荷的重新分布使非耗散電路能夠影響電池塊的產(chǎn)熱，這使得可以通過降低電芯塊在較高溫度下的負(fù)荷來追求均勻和最小化老化的目標(biāo)。均衡電路必須處理的電流量取決于電池的特性。Bernadi等人的研究表明，電芯產(chǎn)生的熱量與極化熱有關(guān)，極化熱是電芯過電位和電流的乘積。過電位是由歐姆損耗、電荷轉(zhuǎn)移過電位和傳質(zhì)限制引起的，這取決于電池的設(shè)計和活性材料。

均衡電路的效率是另一個影響因素。用于非耗散電路的轉(zhuǎn)換器，通常具有與負(fù)載相關(guān)的效率，當(dāng)運(yùn)行在相對較低的負(fù)荷時，轉(zhuǎn)換器的效率很低，并表現(xiàn)得幾乎像耗散電路。因此，均衡電路的設(shè)計以及均衡電路應(yīng)處理的最大和最小負(fù)載起著重要的作用。

4、結(jié)論

最先進(jìn)的耗散均衡電路，如旁路電阻電路，假如滿足以下假設(shè)：首先熱管理是精心設(shè)計的，避免電芯塊之間的溫度梯度，避免導(dǎo)致電芯不均勻老化。其次電池容量和電阻的電池參數(shù)變化在電池的使用壽命內(nèi)必須保持足夠小，因而不會造成電芯塊之間的電壓偏差過大限制電池的可用容量。在這兩個假設(shè)下，通過均衡消耗的能量最小，均衡電流相對較低。此外，通常不要模型或復(fù)雜的策略來均衡。

然而假如違反一個假設(shè)，非耗散均衡電路的開銷是合理的，因為它能夠降低電壓和電芯塊之間的溫度梯度，從而新增可使用容量，并保證均勻老化。為了實現(xiàn)同時追求溫度和電壓梯度降低這兩個目標(biāo)的策略，要對熱和電參數(shù)進(jìn)行建模。假如考慮電池和冷卻系統(tǒng)之間的相互作用，模型的復(fù)雜性會隨著電池中電芯數(shù)量的新增而新增。除了電芯參數(shù)外，均衡電路與負(fù)載電流相結(jié)合的變換器設(shè)計也至關(guān)重要。