終結(jié)難題的發(fā)明（一）：蓄電池均衡系統(tǒng)及其控制方法

隨著新能源汽車(chē)的發(fā)展，動(dòng)力電池進(jìn)入了大眾的視角。其實(shí)，對(duì)這種電池，大眾是有些了解的，手機(jī)早就普遍應(yīng)用了類(lèi)似的鋰電池。所以，大家也會(huì)自然地試圖用手機(jī)電池的知識(shí)去理解動(dòng)力電池。然而，動(dòng)力電池和手機(jī)的電池，卻有著天壤之別。在動(dòng)力電池系統(tǒng)中會(huì)存在手機(jī)電池沒(méi)有遇到的新挑戰(zhàn)——多節(jié)電芯串聯(lián)工作的均衡難題！這個(gè)問(wèn)題是困擾包括電動(dòng)汽車(chē)在內(nèi)的各類(lèi)多節(jié)電芯串聯(lián)應(yīng)用場(chǎng)景中普遍存在的難題。很多狀況，比如SOC不準(zhǔn)，突然失速等等，甚至電池組突然損壞，很多是由這個(gè)均衡難題造成的。在介紹這個(gè)發(fā)明之前，我先分析介紹一下：

什么是均衡難題（寫(xiě)得比較通俗，基本屬于科普，專(zhuān)業(yè)人士可略過(guò)，直接進(jìn)入二）

為什么要串聯(lián)

我們知道，電池都有特定的工作電壓。干電池是1.5V，鉛酸電池是2V，而鋰電池是3.7V……我們的手機(jī)用單節(jié)3.7V電芯就夠了，可是電動(dòng)汽車(chē)往往需要高達(dá)幾百伏的電壓，這就需要把數(shù)十上百節(jié)電芯串聯(lián)起來(lái)一起工作。所以，大家要明白，動(dòng)力電池和手機(jī)電池不一樣！

不均衡的成因，a效率性差異；b容量性差異，c自放電差異。

這么多電芯串聯(lián)在一起工作，每個(gè)電池是否處于一致的狀態(tài)呢？這就是電池的均衡問(wèn)題。電池的均衡，說(shuō)的是在電池組充放電的任何工作狀態(tài)中，構(gòu)成電池組的各電芯保持電量一致?？墒菍?shí)際情況是，由于生產(chǎn)和老化損傷的差異以及實(shí)際溫度和受力的差別，電池組是不均衡的。細(xì)分的話，以下原因造成了電池組的不均衡：

a效率性差異，就是電芯在充電、放電時(shí)，電能和化學(xué)能的轉(zhuǎn)換效率各不相同。比如一組100節(jié)電芯構(gòu)成的電池組，假設(shè)開(kāi)始時(shí)是均衡的，每節(jié)電芯都是20%的電量，那么總的SOC也是20%。然后進(jìn)行了充電，對(duì)電池組充入了相當(dāng)于電池組50%的電能。由于各電芯的充電效率不同，大部分電芯電量是68%，個(gè)別電芯是68.5%，還有個(gè)別的是67.5%。有人會(huì)問(wèn)，剩下的電能哪去了？主要是作為熱能損失掉了。這也是為什么充電會(huì)放熱。容易理解，在放電時(shí)，也會(huì)存在效率差異導(dǎo)致剩余電量不一致的情形

b容量性差異，就是電芯的實(shí)際容量存在差異。比如標(biāo)稱(chēng)100AH的電芯，可能實(shí)際容量是103AH，也可能是97AH。那么在類(lèi)似前述a的充電過(guò)程后，雖然看上去電量是一致的，可是對(duì)于實(shí)際容量103AH電芯而言，電量只達(dá)到了自身實(shí)際總?cè)萘康?8%*100/103,也就是66%，而對(duì)于97AH的電芯而言，事實(shí)上電量已經(jīng)達(dá)到了該電芯總?cè)萘康?0%

c自放電差異，就是電芯在不工作的時(shí)候，也會(huì)隨著時(shí)間損失一些電量。而這一過(guò)程也會(huì)存在差異。比如前述68%的電芯，放置一月后，電量可能會(huì)降到66%，可是，個(gè)別電池還有66.5%的電量，也有個(gè)別電池電量只有65.5%

“短板”效應(yīng)

那么，電芯不均衡會(huì)有什么危害呢？ 最顯著的危害就是短板效應(yīng)。我們知道，電芯不能過(guò)放電或過(guò)充電，也就是說(shuō)，以前述一a情況為例，由于電壓存在68.5%和67.5%的差異，所以，放電時(shí)，該電池組最多只能放出67.5%部分的電量，然后就會(huì)因個(gè)別電芯電量過(guò)低而必須強(qiáng)行斷電保護(hù)。那么，多數(shù)正常電池會(huì)剩余0.5%的電量無(wú)法使用。

容易理解，在反復(fù)的充放電過(guò)程中，這種電芯間的電量差距會(huì)越拉越大，經(jīng)過(guò)10次反復(fù)的充放電循環(huán)后，差距拉大到10%（每次放電也是0.5的差異的話）。比如說(shuō)，除了正常充放電，城市道路，反復(fù)的剎車(chē)油門(mén)，頻繁上下坡，也都會(huì)引入這種差距的擴(kuò)大。準(zhǔn)確地說(shuō)，電池組的放電余量是由電量最小的電芯決定的，充電余量是由電量最大的電芯決定的，而放電余量 +充電余量構(gòu)成電池的容量。比如極端情況，一組電池中如果有一個(gè)短板電芯的電量是10%，而另一個(gè)短板電芯的電量是90%，那么這個(gè)電池組的實(shí)際容量就降到了20%

SOC誤差

理解了電芯實(shí)際電量的不一致性以后，就容易理解動(dòng)力電池組SOC的誤差了。短板效應(yīng)告訴我們，電池組的實(shí)際電量是由最差的那節(jié)短板電池決定的?？墒?，SOC是在統(tǒng)計(jì)整個(gè)電池組的總電量和總電壓，所以當(dāng)電池組的不一致程度變大時(shí)，SOC的誤差也會(huì)變大。所以，就會(huì)出現(xiàn)失速：前一秒SOC還顯示有25%的電量，這一秒?yún)s突然警告電池缺電，斷電保護(hù)了，車(chē)子直接拋錨了。這就是電動(dòng)車(chē)常見(jiàn)的失速問(wèn)題。只不過(guò)廠家都是把這種情況歸咎于車(chē)主沒(méi)有認(rèn)真留意剩余電量。其實(shí)也是死無(wú)對(duì)證的，每次電量保護(hù)后，只要通過(guò)軟件對(duì)SOC自動(dòng)歸零，就不會(huì)留下任何證據(jù)。只要充電，一切又都好了。車(chē)主只能抱怨眼睛打折，撞見(jiàn)鬼了。。。

“短板更短”效應(yīng)

電芯不一致帶來(lái)的危害不僅僅是前述短板效應(yīng)，還會(huì)直接造成電芯更快老化。我們知道，電芯是有壽命的，每次充放電其實(shí)都會(huì)造成電芯實(shí)際的容量一定的衰減。上千次充放電以后，電芯的容量就會(huì)降到90%甚至80%。進(jìn)一步地，不同的電量下，充放電對(duì)電芯的老化損傷是不一樣的。對(duì)接近滿電的電芯充電損傷會(huì)更大，反過(guò)來(lái)也是一樣，對(duì)電量很低的電芯放電，損傷也會(huì)更大。這也是為什么手機(jī)廠家經(jīng)常建議淺充淺放，來(lái)延長(zhǎng)電池的壽命?？墒请妱?dòng)汽車(chē)就不行了，手機(jī)是單一電芯，而動(dòng)力電池是多節(jié)串聯(lián)。我看到網(wǎng)上有些建議電動(dòng)汽車(chē)不要充滿，每次充電到80%就好，其實(shí)這會(huì)嚴(yán)重?fù)p壞電芯（后面會(huì)分析）。短板電芯由于電量與其他電池不同，總是比其他電池更早進(jìn)入滿電或低電狀態(tài)，因此，在反復(fù)充放電的過(guò)程中，短板電芯的老化程度更嚴(yán)重。這就是“短板更短”效應(yīng)！

至此，大家看到了雙重的“惡性循環(huán)”：在反復(fù)的充放電過(guò)程中，不僅會(huì)引入電芯間的電量差異造成短板，而且，循環(huán)次數(shù)越多，這種電量差異會(huì)也來(lái)越大；更進(jìn)一步，還會(huì)造成短板電芯的實(shí)際老化衰減程度越來(lái)越大（“短板更短”）

目前的均衡手段

為了克服長(zhǎng)串電池組的不均衡導(dǎo)致“短板效應(yīng)”等危害，動(dòng)力電池組都設(shè)計(jì)有專(zhuān)門(mén)的均衡電路。目前這些均衡電路的做法是普遍采用所謂的“被動(dòng)均衡”電路，也就是充電過(guò)程中，在快充滿時(shí)，啟動(dòng)SOC校準(zhǔn)程序。大家注意，這個(gè)SOC校準(zhǔn)和手機(jī)那種單電芯的電壓校準(zhǔn)完全是兩回事！動(dòng)力電池的SOC校準(zhǔn)過(guò)程是，首先進(jìn)入涓流充電，也就是用很小的電流慢慢充電。為什么要這樣呢？為了防止因過(guò)充電造成電芯損壞，需要高精度地監(jiān)控測(cè)量每節(jié)電芯的電壓，直到有一節(jié)電芯率先充飽。這時(shí)SOC校準(zhǔn)程序會(huì)進(jìn)入一個(gè)叫做“被動(dòng)均衡”的過(guò)程，就是用旁路電路跳過(guò)充飽的那節(jié)電芯，繼續(xù)對(duì)其他的電芯充電。不斷重復(fù)上述過(guò)程，直到所有的電芯都充飽電。

講到這里，大家可能明白了，為什么汽車(chē)廠家要求用戶每個(gè)月至少要保證一次完全的充電！所以，對(duì)電動(dòng)車(chē)主要小心了，“淺放”還是可取的，可是，長(zhǎng)期“淺充”是不行的。長(zhǎng)期淺充不僅會(huì)加大前述的短板效應(yīng)，使電池組的真實(shí)可用容量不斷下降，留下失速的隱患，更要命的是，還會(huì)引發(fā)“短板更短”效應(yīng)，直接損傷電池組！??！

難點(diǎn)分析

講到這里，大家可能有一些疑問(wèn)，電量均衡不就是測(cè)量一下每節(jié)電芯的電壓，從電壓高的電芯向電壓低的電芯補(bǔ)電嗎？其實(shí)，車(chē)廠不傻，他們不僅有博士碩士，很多還有院士，動(dòng)力電池的均衡這個(gè)問(wèn)題之所以成為世界難題，研究了幾十年了，還沒(méi)有徹底解決，是有原因的：首先，“測(cè)量一下電壓”，其實(shí)并不容易。我們通過(guò)外部電路測(cè)量出來(lái)的各電芯電壓，其實(shí)是電芯的外部電壓。這個(gè)電壓，在電芯大電流工作時(shí)，由于電芯內(nèi)部的物理結(jié)構(gòu)和化學(xué)進(jìn)程的影響，除了內(nèi)部電阻的影響，還表現(xiàn)出電感性和電容性的干擾，導(dǎo)致無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量到電芯內(nèi)部的實(shí)際真實(shí)電壓。如果以電池工作時(shí)的外部表征電壓來(lái)斷定電芯的電量差異并以此確定均衡方向，反而會(huì)錯(cuò)上加錯(cuò)。采用涓流充電時(shí)進(jìn)行被動(dòng)均衡，就是為了避免這種情況。可能有的朋友要問(wèn)了，不是還有主動(dòng)均衡嗎？在駐車(chē)的時(shí)候，不是有的是時(shí)間慢慢均衡嗎？主動(dòng)均衡，說(shuō)的是從電量高的電芯中取一些電，補(bǔ)償給電量低的電芯。要實(shí)現(xiàn)主動(dòng)均衡，就需要擁有可以連接到任何一節(jié)電芯的單獨(dú)充放電通路（事先無(wú)法知道哪節(jié)電芯會(huì)出現(xiàn)短板），也就是上百條通道，更何況，動(dòng)力電池的電壓達(dá)到數(shù)百伏，而高壓半導(dǎo)體電路的代價(jià)是非常高昂的。

簡(jiǎn)言之，均衡難題，難就難在測(cè)量難題和電路復(fù)雜度難題！所以，大家如果檢索一下有關(guān)電池均衡的專(zhuān)利，會(huì)看到數(shù)不過(guò)來(lái)的申請(qǐng)，可是，現(xiàn)在的電動(dòng)汽車(chē)，均衡電路幾乎都是充電末段的被動(dòng)均衡，長(zhǎng)期沒(méi)有任何新進(jìn)展。

二、創(chuàng)新方法

沖破習(xí)慣思維

說(shuō)到動(dòng)力電池均衡問(wèn)題，人們想到的都是一串上百節(jié)電芯串聯(lián)在一起工作，它們的電量不均衡了，所以去要對(duì)電量差異進(jìn)行補(bǔ)償，使它們的電量達(dá)到均衡一致?；谶@個(gè)想法，就必然需要精密的測(cè)量和對(duì)每個(gè)電芯專(zhuān)門(mén)的補(bǔ)償通路。主動(dòng)均衡也好，被動(dòng)均衡也好，都是寫(xiě)進(jìn)教科書(shū)的東西，好像也不可能再有別的什么辦法了。。。

我也是這個(gè)東西困擾了好幾年，終于有一天，擺脫了思維的慣性：一個(gè)動(dòng)力電池組其實(shí)可以不止一個(gè)串聯(lián)電芯串，其實(shí)可以來(lái)兩串電芯串（其實(shí)這點(diǎn)還是容易突破的）；然后，進(jìn)一步地，兩串電芯數(shù)量可以不一樣?。。?/p>

具體原理

目前，說(shuō)的均衡，大家想到的只有主動(dòng)均衡和被動(dòng)均衡，本質(zhì)上都是通過(guò)外部測(cè)量電路找出“短板電芯”，然后通過(guò)補(bǔ)償電路進(jìn)行補(bǔ)償，使之電量均衡。也就是測(cè)量電路、補(bǔ)償電路和控制邏輯。然而，大家都知道，其實(shí)只要兩個(gè)電芯并聯(lián)，它們之間就會(huì)自發(fā)地發(fā)生一種均衡：電量高的電芯自發(fā)地向電量低的電芯補(bǔ)電。我把這個(gè)現(xiàn)象叫做“自然均衡”。自然均衡的特點(diǎn)是沒(méi)有測(cè)量電路，沒(méi)有補(bǔ)償電路，本質(zhì)是用電芯“測(cè)量”電芯，用電芯“補(bǔ)償”電芯。那么問(wèn)題來(lái)了，兩節(jié)電芯好解決，上百節(jié)怎么辦？對(duì)，就是兩串電芯錯(cuò)位并聯(lián)！

顯然，斷開(kāi)所有KB開(kāi)關(guān)，接通所有KA開(kāi)關(guān)，可以實(shí)現(xiàn)兩串電池的各電芯并聯(lián)。反過(guò)來(lái)也是一樣。不斷切換開(kāi)關(guān)組KA和KB，就可以改變電芯EA和EB間的并聯(lián)對(duì)應(yīng)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)錯(cuò)位并聯(lián)。進(jìn)而利用錯(cuò)位并聯(lián)，傳遞均衡效果，達(dá)到所有電芯均衡。不論在充電、放電、還是待機(jī)，都保持不間斷的開(kāi)關(guān)切換，就實(shí)現(xiàn)了全時(shí)的自然均衡。

功率MOS電路

成本

大家看到這里，可能有些小失望：那么多功率MOS，這得多少錢(qián)呀？！

這也是一個(gè)誤區(qū)，其實(shí)差不多一年前，我就想到了“自然均衡”的方法，可是，那時(shí)的電路在成本上遇到了障礙，失敗了?，F(xiàn)在這個(gè)電路，大家仔細(xì)觀察，就可以知道，這些開(kāi)關(guān)的分?jǐn)嚯妷禾貏e低，僅僅是一節(jié)電芯的電壓。而這類(lèi)工作電壓低于10V的低速功率開(kāi)關(guān)半導(dǎo)體，成本只有幾美分！因此，整個(gè)電路的成本并不大，對(duì)電動(dòng)汽車(chē)而言，可望低至1美元/度的水平。

審核編輯 黃宇