EVERLASTING項(xiàng)目是歐盟“地平線2020”研究和創(chuàng)新計(jì)劃資助的項(xiàng)目，旨在通過(guò)開發(fā)更加準(zhǔn)確和標(biāo)準(zhǔn)化的電池監(jiān)測(cè)和管理系統(tǒng)來(lái)提高鋰離子電池的可靠性、壽命和安全性，能夠在所有情況和全生命周期內(nèi)預(yù)測(cè)電池行為，能夠?qū)崿F(xiàn)積極和有效的電池管理。

鮑教授翻譯的第一篇介紹電芯均衡，特別是如何評(píng)價(jià)均衡策略。首先討論什么情況下真正需要電芯均衡；其次基于儲(chǔ)能的應(yīng)用場(chǎng)景定義了不同的均衡策略；最后提出一種適用于大多數(shù)場(chǎng)景的均衡策略。

1、電芯不均衡的根本原因

由于去中心化的能源基礎(chǔ)設(shè)施（固定式儲(chǔ)能設(shè)備），以及日益增長(zhǎng)的環(huán)境友好型出行工具（電動(dòng)汽車），需要可靠和經(jīng)濟(jì)的電能存儲(chǔ)解決方案。鋰離子電池由于其高能量密度顯示出滿足這些需求的潛力。然而，電動(dòng)汽車不但需要高能量密度，還需要高的整體能量（大容量電池包）。為了滿足這些需求，電芯通過(guò)串聯(lián)和并聯(lián)組成電池包，一個(gè)電池包內(nèi)可能多達(dá)幾千節(jié)電芯（例如TESLA采用的18650或者21700電芯）。電池包電壓與可容忍損耗和電力電子設(shè)計(jì)有關(guān)，通常決定串聯(lián)的電芯數(shù)量。另一方面，并聯(lián)電芯的數(shù)量取決于整個(gè)電池系統(tǒng)的能量和功率需求。

由于制造公差，例如電極厚度和整體組件連接性的變化，使電芯的特性略有不同。由于制造精度有限，即使是同一批次的電芯，其初始容量和阻抗也各不相同。這些參數(shù)偏差呈高斯（正態(tài)）分布。不同的電芯容量和阻抗意味著在串聯(lián)連接中，總是有一個(gè)電芯或多個(gè)電芯塊（多個(gè)電芯并聯(lián)），它們首先到達(dá)充電結(jié)束或放電結(jié)束電壓。考慮安全因素這些首先到達(dá)充電結(jié)束或放電結(jié)束電壓限制是不能超過(guò)的，使得其他電芯的容量不可全部利用。此外，由于電芯內(nèi)部參數(shù)的變化或溫度梯度的存在，不同的自放電和老化速率使得電芯電壓出現(xiàn)差異。這種電芯電壓差異導(dǎo)致進(jìn)一步過(guò)早限制電池包的容量。為了避免可能的容量限制，電池系統(tǒng)中通常需要均衡電路。

一般來(lái)說(shuō)，電芯不平衡與電芯質(zhì)量有關(guān)，電芯質(zhì)量包括初始電芯參數(shù)的變化和相同條件下的老化行為、電池系統(tǒng)質(zhì)量特別是熱管理系統(tǒng)質(zhì)量。如果能實(shí)現(xiàn)完全相同的電芯以及電池系統(tǒng)內(nèi)部沒(méi)有任何溫度梯度，那么均衡系統(tǒng)將不需要，然后這是不可能實(shí)現(xiàn)的任務(wù)。

2、電芯均衡的目標(biāo)

電芯均衡的目標(biāo)取決于電池包的應(yīng)用場(chǎng)景。電動(dòng)汽車的目標(biāo)是達(dá)到最大可能的續(xù)航里程，而參與電網(wǎng)控制的固定電池包的目標(biāo)則是隨時(shí)提供所需的電力。

對(duì)電動(dòng)汽車來(lái)說(shuō)為了最大限度地提高電池包的能量含量，必須充分利用每個(gè)電芯的能量，在完全放電的情況下，盡管每個(gè)電芯的容量和阻抗有所不同，但必須實(shí)現(xiàn)從100% SOC開始放電至0% SOC。對(duì)參與電網(wǎng)控制的固定儲(chǔ)能來(lái)說(shuō)，處于木桶效應(yīng)最弱板塊的電芯或者電芯塊需要一直處于某一固定SOC，以便允許在指定的時(shí)間內(nèi)釋放和吸收正負(fù)電流脈沖（調(diào)頻應(yīng)用）。由于電動(dòng)汽車的應(yīng)用領(lǐng)先于電網(wǎng)儲(chǔ)能應(yīng)用，因此最大限度地提高電池的能量含量是電芯均衡的首要目標(biāo)。

3、電芯均衡算法評(píng)價(jià)

在不均衡的情況下，并不是所有的電芯容量都被完全利用，剩余的能量必須通過(guò)均衡電路重新分配。均衡電路通常能夠調(diào)整單個(gè)電芯或電芯塊的能量水平。一般有兩種均衡系統(tǒng)：耗散均衡系統(tǒng)（被動(dòng)均衡）和非耗散均衡系統(tǒng)（主動(dòng)均衡）。主動(dòng)均衡在不造成較大損失的情況下將能量從一個(gè)電芯或電芯塊轉(zhuǎn)移到另一個(gè)電芯。幾乎所有的主動(dòng)系統(tǒng)都需要大量的電力電子器件，如線圈、電容器和場(chǎng)效應(yīng)晶體管以及相應(yīng)的控制方案。導(dǎo)致額外的重量和成本，因此在商業(yè)應(yīng)用中使用主動(dòng)均衡系統(tǒng)較少。被動(dòng)均衡系統(tǒng)由一個(gè)電阻和一個(gè)與電芯并聯(lián)的電氣開關(guān)實(shí)現(xiàn)，由于其簡(jiǎn)單性和成本優(yōu)勢(shì)而受到青睞，被動(dòng)均衡通過(guò)放電來(lái)調(diào)節(jié)單個(gè)電芯或電芯塊的能量水平。下面將對(duì)常用的被動(dòng)均衡技術(shù)進(jìn)行實(shí)際評(píng)估。

一般有三種均衡算法：基于SOC的均衡算法、基于模型的均衡算法和基于電壓的均衡算法。

基于SOC的均衡算法

基于SOC的均衡是最精確的，因?yàn)槔碚撋纤�根�?jù)定義利用了所有電荷。然而，基于SOC的均衡算法實(shí)際效果很大程度上取決于SOC的準(zhǔn)確性。SOC是一種不能直接測(cè)量的狀態(tài)，SOC通常采用估計(jì)技術(shù)（卡爾曼濾波、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等）和安時(shí)積分。即使這些方法能夠在電池生命周期開始時(shí)提供準(zhǔn)確的結(jié)果，但是在運(yùn)行過(guò)程中精度會(huì)迅速下降，估計(jì)誤差往往會(huì)超過(guò)2-3%（國(guó)內(nèi)BMS的SOC估計(jì)誤差估計(jì)在5%）。目前最先進(jìn)的鋰離子電池的相對(duì)參數(shù)方差遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于1%，這使得使用不準(zhǔn)確的SOC值作為均衡輸入?yún)��?shù)是不夠的。

基于模型的均衡算法

鋰離子電池的一個(gè)重要特性是SOC與開路電壓（OCV）之間的非線性關(guān)系，如圖1所示。OCV隨著SOC的增加而增大。這種關(guān)系是由鋰離子電池正極和負(fù)極材料的電位決定的。當(dāng)有電流負(fù)載時(shí)，歐姆電阻、轉(zhuǎn)移阻抗和雙電層效應(yīng)導(dǎo)致出現(xiàn)過(guò)電位，因此測(cè)量到的端電壓（非OCV）并不能直接反映實(shí)際SOC。基于模型的均衡利用電芯模型來(lái)估計(jì)電芯的過(guò)電位，就有可能使用電流負(fù)載下的端電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)SOC平衡。然而基于模型的均衡算法與基于SOC的平衡算法有著相同的缺點(diǎn)，鋰離子電池的非線性特性使其很難實(shí)現(xiàn)魯棒和精確的模型，因?yàn)樗�有的模型參�?shù)在SOC范圍內(nèi)、不同的溫度范圍內(nèi)、特別是在使用壽命內(nèi)都會(huì)發(fā)生變化。

圖1 NMC/石墨電芯的OCV曲線和等效電路模型

基于電壓的均衡算法

最可能實(shí)際應(yīng)用的的均衡算法是基于電壓的均衡算法，因?yàn)槊總�(gè)電池系統(tǒng)都會(huì)監(jiān)測(cè)電芯電壓。通常在充電過(guò)程中通過(guò)均衡電路調(diào)整電芯電壓。然而端電壓不一定反映SOC，因此負(fù)載下的電壓均衡可能會(huì)進(jìn)一步惡化電池包的不均衡。這種不均衡取決于實(shí)際的充電電流、電芯的過(guò)電位和OCV的斜率。降低電流可以緩解這個(gè)問(wèn)題，因此恒壓（CV）充電階段適合進(jìn)行電芯均衡。然而，由于短板電芯的充電結(jié)束電壓通常是充電器電流控制的輸入，所以短板電芯的電壓不能被扭曲，因此也不建議在CV階段進(jìn)行電壓平衡。

由于先進(jìn)鋰離子電池質(zhì)量的提高，其內(nèi)部參數(shù)變化很小。此外，電池包內(nèi)的溫度梯度可以通過(guò)特定的設(shè)計(jì)措施（熱管理系統(tǒng)）來(lái)緩解。以上因素均減小了電芯電壓差異，但是電芯電壓差異還是存在，因?yàn)槠涫遣豢上�除的。充電結(jié)束靜置相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間后電芯的過(guò)電位消除，此時(shí)端電壓反映了電芯SOC，通過(guò)將所有電芯的電壓放電至電池包內(nèi)最小電芯電壓，此過(guò)程只消耗一小部分的放電能量，因此只要不經(jīng)常進(jìn)行這種電壓平衡就認(rèn)為是可以接受的。

4、結(jié)論

由于制造公差，鋰離子電池在容量、阻抗和自放電率方面表現(xiàn)出差異，這導(dǎo)致電池包中的電壓差異，該電壓差異限制了可達(dá)到的放電能量，并且在存在溫度梯度時(shí)可能進(jìn)一步惡化。為了最大化電池包的能量含量，通常使用具有旁路電阻器的被動(dòng)電路。

建議在電池包完全充電后的休息期間應(yīng)用電壓均衡，在此過(guò)程中將所有電芯電壓放電調(diào)節(jié)到與串聯(lián)電池包內(nèi)的最小電芯電壓一致。