电池管理系统均衡技术发展综述

王晓露，谭泽富，代妮娜， 薛菁，向丽红

（ 重庆三峡学院 信息与信号处理重点实验室，重庆 404000）

0 引 言

锂电池在生产加工过程中的个体差异及锂电池本身特有的化学属性，会导致锂电池组内单体锂电池不一致即电池组不平衡，电池组不平衡问题会随着电池性能的逐渐退化而加剧，进而产生热失控爆炸等安全隐患。

电池组内电池的不一致性可借助均衡电路或结合均衡器的均衡策略得以解决，以避免电池劣化 进而产生过放电，确保每个电池都能够在相同或相似状态下工作。判断电池均衡控制策略的变量一般有三种：电池的荷电状态（State Of Charge, SOC）、电池容量和电池电压。目前电池管理系统（Battery Management System, BMS）均衡变量的研究热点是电池电压和电池SOC的精准测量。国内外半导体厂商已设计出专用的IC芯片（Integrated Circuit Chip），例如广泛应用的TIMAXIMLINER将电阻放电控制功能集成到芯片以及电池专用的DC/DC转换芯片等。本文主要介绍几种主流的均衡方法和策略，分析均衡技术未来的发展趋势。

1 电池均衡技术

电池均衡管理系统依据划分方式的不同可分为不同的形式：根据具体变量的不同可分为基于电压的均衡、基于容量的均衡和基于SOC的均衡；根据电路拓扑结构的不同可分为无源形式和有源形式；根据触发时机的不同可分为能量耗散（被动平衡技术）和能量非耗散（主动平衡技术）。均衡技术的典型分类如图1所示。

图1 均衡技术典型分类

以电阻放电的形式进行均衡的方法叫作被动均衡，被动均衡的基本结构如图2所示。目前采用被动均衡技术的生产企业较少，例如特斯拉采用的18650型号电池，其单体电池容量较小，每个电芯采用工业化生产，电池本身的一致性和自放电率控制比较好。主动均衡是一种以电量转移方式实现的均衡，其方法主要分为开关电容式主动均衡、电感式主动均衡、变压器式主动均衡以及变换器式主动均衡。主动均衡成本较高、均衡效率有限、技术比较复杂，现阶段主动均衡的研究仍面临着较大的挑战。

图2 被动均衡基本结构

1.1 基于变换器的均衡技术

基于变换器的电池均衡是利用DC/DC变流电路实现均衡的方法，根据DC/DC变流电路的特点，基于变换器的均衡结构可分为非隔离型电路结构和隔离型电路结构。非隔离型电路主要分为Cuk电路、Buck电路及Buck-Boost电路：

（1）Cuk电路。刘征宇等提出了一种新型均衡拓扑结构，采用零电压导通技术，通过双层开关选择均衡单体电池连接到Cuk均衡器，实现了模组内部单体之间以及不同模组单体之间均衡能量的同时转移，实验结果表明，其拓扑中的能量在均衡单体之间可直接搬运，能量利用率约为94%。李斌等提出了一种基于Cuk电路的多交错对称式均衡结构，该均衡拓扑结构结合了Cuk电路和分层均衡优势，缩短了均衡路径，该均衡结构在均衡时间上分别缩短了91.54%和56.1%。

（2）Buck电路。Q.Li等提出了使用交直流隔离的单芯Buck-DC/DC充电模块对多个电池同时均衡的改进系统，该系统可有效地对锂离子电池模块进行充电和均衡，缩短模块在初始测试过程中的测试时间。Dehri K等设计了一种离散滑模控制器，以一个受谐波干扰的时变DC-DC Buck变换器为例，实验证明了其设计的有效性。龚坤珊等针对传统单相髙压大功率Buck变换在功率开关管两端会产生过高电压尖峰的缺点，提出一种无源无损吸收的交错并联Buck电路，其结构如图3所示，该变换器实验整体效率在96%以上，满载时效率最高达到98.37%，其在实际工程应用中可以有效地减小损耗。

图3 单相无源无损Buck电路原理图

（3）Buck-boost电路。马晓爽等提出一种互补脉冲驱动方案，用以减小变换器的二极管损耗，最后通过仿真和实验得到了验证，端口电流与电感电流均在约2 ms处达到给定值并稳定运行。Q.Zhang等开发一种基于SiC（Silicon carbide）的多并联分立器件，Buck-Boost变换器改进结构如图4所示，两个转换器可以根据需要在各种工作条件下工作，可以通过直流电源的输出功率直接测量两个变流器中的损耗（包括所有部件功率的损耗），大大提高了效率测量的准确性，实验证明其效率为98.3%～99.5%，可以在不影响SiC器件高速开关能力的情况下实现电流共享。

图4 Buck-boost变换器的控制框图

常用的隔离DC/DC变换电路主要分为正激变换、反激变换、桥式变换。正激变换和反激变换与变压器的拓扑方式相似，全桥式变换器非常适用于大功率输出装置，但是其驱动电路相对复杂，在价格上比较昂贵。王鹤等提出了一种并联型DC/DC全桥与降压型变换器拓扑相结合的控制策略，借助移相全桥控制技术和交错并联控制技术实现高频磁隔离功能，提高电流控制性能，使得变换器在不同负载情况下的效率均能保持在95%左右。

1.2 基于LTC3300的电池组均衡技术

LTC3300是一款独立的双向反激式控制器，适用于锂电池和LiFePO4电池，可提供10 A的均衡电流。主要应用于电动汽车/插电式混合动力汽车（HEV）、大功率UPS/电网能量存储系统、通用型多节电池组。

基于LTC3300芯片的均衡模块搭配LTC6804等电池组监视器，均衡效率可达90%以上。例如，刘政等设计一套采用电池均衡芯片LTC3300- 1与电池管理芯片LTC6804-2的主动均衡系统来实现能量双向转移，实验测试结果表明该系统的均衡效果明显，可以在100 min内将最大电压差从430 mV下降到27 mV，均衡系统结构如图5所示。

图5 主动均衡单元电路

2 市场应用

所有BMS系统的硬件都需要芯片的支持，美国锂离子电池管理系统一直走在世界前列。十几年前日本就开始对BMS技术进行研发，BMS芯片解决方案的供应商主要有TI、英飞凌、NXP、ADI、瑞萨、ST和安森美等企业，国内外BMS供应商的技术参数如表1所示。

表1 国内外主流BMS供应商的技术参数

目前市场上的电动汽车普遍采用无源均衡技术，例如特斯拉、比亚迪秦、荣威Ei5等品牌的电动汽车都配备了无源EMS，有源均衡技术虽然应用范围有限，但因其效率高、速度快等优点而成为研究的热点。根据Marklines统计，2020年全球电动汽车的总销量为289.24万辆，其中应用被动均衡技术的电动汽车有233.1万辆，占电动汽车总量的80.6%，其中有15.7%来自美国的特斯拉系列汽车，3.7%来自日系丰田、本田旗下汽车，采用主动均衡技术的电动汽车有56万辆，奇瑞占1.4%，上汽占5.4%，如图6所示。

图6 2020年全球电动汽车所占份额

2.1 国外应用情况

英飞凌科技股份公司于2020年9月推出的新型感测和平衡IC（TLE9012AQU）能够实现整个工作电压范围和温度范围内测量误差为±5.8 mV，提供集成式电池单元平衡功能，TLE9012AQU集成150 mA均衡开关管，能够实现多通道均衡，也可以实现单个单元的均衡。用户还可以搭配外部MOSFET，以实现更大的均衡电流。美国德州仪器（TI）推出了一种搭建基于BQ79616和CC2662芯片的无线BMS解决方案，可支持多达100个节点，每个节点的延迟都低于2 ms，达到业界较低水平，并且可实现时间同步测量。最新推出的奥迪e-tron电动汽车的电芯均衡通过CSC（Cell Supervision Circuit）监控单元来实现，其采用被动均衡方案对各模组的电压进行比较，识别高电压单元，在充电时如电压差达到1%以上则触发均衡。

2.2 国内应用情况

2020年下半年，山东汉唐电动汽车科技有限公司自主研发了搭载主动均衡BMS的三元锂电PACK及与其匹配的动力系统。科列技术开发的BMS的均衡电流可达5 A，转换效率提高到90%以上，可以有效弥补各电池之间的不一致。荣威RX5 eMAX自主研发的智能电池均衡技术能够综合电芯容量、SOC、温度及工作状态等特征，可分时择机对电芯进行均衡管理。安徽力高BMS产品有B3系列和B5系列等，其中B51产品采用被动均衡策略，B52产品采用主动均衡策略，电压采集误差均≤5 mV，SOC误差≤5%。

3 电池均衡管理技术研究趋势

纵观近两年的研究成果，电池均衡设计研究主要集中于均衡路径优化、原理优化、模块化均衡及集成系统等方面：将功率晶体管与低阻值电阻串联减小晶体管功耗可实现放电期间快速均衡；周期性停止充电可避免充电期间电池电压不准确引起的过早均衡。均衡管理工艺设计在任何一种锂电池系统中都显得十分重要，充放电均衡作为电动汽车电池关键技术之一，仍具有很大的研究提升空间，基于国内外研究现状及研究趋势，未来电池均衡系统的研究可从以下几方面展开：

（1）电池荷电状态SOC估算精确化，增加对汽车电压、电流传输情况等参数的实时跟踪监测。

（2）对均衡控制算法优化，云控制是利用机器学习或深度学习方法来预测不一致性演化、寻找最优控制方案的可行方法。随着基于云计算控制方法的逐步完善，云控制均衡化会成为未来的发展趋势。

（3）合理设计电池均衡方案，选择最佳模块数量和电路层次，降低电路能量损耗，提高均衡系统抗干扰能力，提高均衡电路的工作效率以实现最优设计。

（4）集成化电池均衡系统通过半导体工艺对均衡电路中的元件及布线进行集成和封装，有利于进一步缩小电路体积，降低电路成本。

4 结 论

电动汽车和相关电池市场的扩大有助于实现清洁能源减排和经济发展有关的可持续发展目标。国内有必要制定一项长期的未来计划，以提高电动汽车在电池精确监测和控制、碳减排、全球合作和可持续发展方面的绩效。研究电池均衡技术的主要目的是实现简化均衡电路、提升均衡速度、增大均衡效率、提高均衡精度、降低均衡成本，进一步突破传统工作模式限制，高效提升其实际运行质量和效率。电池均衡技术作为电动汽车关键技术之一，必将推动电动汽车研究取得更大突破。