BMS开发课程笔记-单体均衡模块设计

baoshijie

本文主要介绍了电池均衡模块的设计，主要包含以下三部分内容：

【1】均衡的目的

【2】均衡的分类及原理

【3】基于被动均衡的均衡模块设计流程及逻辑


为什么需要做电池均衡

在电芯生产制造过程中，由于制造工艺的不一致性及材质的不均匀性，使电芯极板厚度、微孔率、活性物质的活化程度等存在差别。这种电芯内部结构和材质上的不一致会导致电芯在容量、内阻、电压等参数上存在差别。在电芯成组时，由于各个电芯的温度、自放电程度、电解液密度等因素的影响，在一定程度上加剧了电芯电压、内阻、容量等参数的差异。

电池组的充放电特性遵循木桶原则，受单体中容量最小的单体性能约束。当系统充电时，当有一节单体充满，则系统停止充电；当系统放电时，当有一节单体放空，则停止放电。这在一定程度上降低了电池系统的可用容量，而均衡技术是目前解决动力电池系统中单体不一致问题的有效手段。





均衡的分类

目前均衡方法主要有被动均衡和主动均衡两种。

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被动均衡

被动均衡是一种有损均衡，又称能量耗散式均衡，它实现的目标是“向下看齐”，通过能量的耗散将容量最多的单体中能量耗散掉。



被动均衡的原理可如下图所示，在每一个串联的单体上并联一个电阻，电阻与单体之间串联一个开关，当BMS判断单体需要进行均衡时，则闭合其回路中的开关，将单体中的电量通过电阻耗散掉。



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主动均衡

主动均衡是一种无损均衡，又称能量转移式均衡，它实现的目标是“向中间看齐”，将容量高的单体中的容量向容量低的单体中的容量转移，是一种“杀富济贫式的均衡方式”。在实施过程中通常有一个储能环节，使能量通过储能环节重新进行分配。



主动式均衡根据能量流动方式可分为集中式和分散式。集中式均衡方法就是从整组电池获取能量，然后通过电能转换装置向能量少的电池补充电量。

如下图为变压器式主动均衡方案原理，以变压器作为核心，通过磁场与电场的转换，实现能量在单个电池单元与整个电池组间的双向传递。



分散式的均衡方法就是在相邻的电池之间存在一个储能环节，这个储能环节可以是电感也可以是电容，这样就可以让能量在相邻电池之间流动，能量多的电池就可以将能量传递到能量少的电池。如下图为电感式主动均衡原理，通过MOS管控制Cell1与Cell2回路的通断，实现能量在Cell1与Cell2之间的转移。




被动均衡策略设计

下面以被动均衡为例，介绍均衡策略设计时需要考虑以下内容：

【1】均衡通道控制

【2】均衡开启条件

【3】均衡截止条件

均衡模块的输入输出变量如下图所示。



均衡模块主要包含均衡使能子模块、均衡计算子模块，通过Statefolw实现任务调度，调度周期为50ms。

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均衡使能子模块

均衡面对的第一个问题，是如何确定开启系统均衡功能的判定条件。通常有两种方法，一种是以单体电压为控制条件，当单体压差达到一定值，均衡开启；另一条路线是以SOC为控制条件，当单体SOC与平均SOC的差值达到一定值，均衡开启。

另一个问题是需要考虑允许均衡开启的车辆模式，均衡只发生在充电过程、放电过程，还是电池没有工作任务的静置过程。关于这个问题，并没有一致的观点，厂家的自主权很大。

本文以单体电压为均衡控制条件，根据电池当前电压状态，控制均衡的开启。当满足以下所有条件时，均衡使能：

【1】单体最大电压与最低电压压差大于50mv（标定量），且单体电压大于3.8V（标定量）

【2】从控板温度＜限值（标定量）

之所以把从控板温度作为均衡使能条件，是因为被动均衡是一种能量耗散式的均衡，在通过均衡电阻耗散能量的时候，会产生大量的热，如果不加以控制，这些热量会导致从控板温度急剧升高。

【3】系统处于高压断开或交流充电或直流充电或驱动模式或静置模式

【4】电池充放电电流小于限值（标定量）

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均衡计算子模块

根据电池状态及均衡使能命令计算均衡目标电压，当均衡使能时，目标电压取以下三者最大值：

【1】单体最高电压-目标最大单体压差

【2】（单体最高电压+单体最低电压）/2

【3】单体最低电压限值


举个栗子，假设此时最高单体电压为3.9V，最低单体电压为3.8V目标最大单体压差为60mv，单体最低电压限值为2.9V，则均衡目标电压为：

max【3.9-0.06=3.84,（3.9+3.8）/2=3.85，2.9】=3.85V

当均衡状态未使能时，目标电压设为5V。

当单体均衡使能时，将均衡状态置1，以用于系统对均衡通道的检测及控制。当均衡电芯的电压与目标值压差小于5mv时停止均衡。



结语

本文简单介绍了单体均衡模块的实现方法，并以被动均衡为例，简答介绍了均衡策略的实现逻辑。文章在阐述策略时，省略了若干条件，不代表实际工程项目开发的策略定义。

随风1

您好，针对您提供的关于BMS开发课程笔记中关于单体均衡模块设计的描述，我对其中涉及的专业内容进行了如下回应。以下是我专业的回复：

关于单体均衡模块设计的内容十分重要，其主要涉及到均衡的目的、均衡的分类及原理以及基于被动均衡的均衡模块设计流程及逻辑。做电池均衡的目的是为了解决电芯在生产制造过程中因工艺和材质差异导致的参数不一致性问题。这种不一致性会直接影响电池组的性能和使用寿命。电池均衡模块的设计能够通过对每个电芯的细致监控和调整，使得电池组性能得到充分发挥，延长电池寿命，确保整体系统的稳定运行。感谢您的分享，期待后续更多深入的学习和交流。

wwj557

关于您提供的BMS开发课程笔记中关于单体均衡模块设计的内容，我作为汽车工程师，对电池均衡模块设计有深入了解。针对您所提及的电池均衡的目的和重要性，我补充如下专业回复：

电池均衡是为了减小电池组内各电芯间的参数差异，延长电池寿命，提高电池性能。由于制造工艺、材质不均及成组时的多种因素影响，电芯间存在参数差异。若不进行有效的均衡管理，会严重影响电池组的整体性能和安全。单体均衡模块的设计是实现电池均衡管理的关键，它能确保电池组中各电芯的电压、内阻和容量保持一致，从而提高整个电池系统的效率和安全性。基于被动均衡的均衡模块设计流程，需关注均衡策略的选择、电路设计和控制逻辑的优化，确保均衡效果达到最佳。

shuizhonghua

您的课程笔记很专业，简要概述了电池均衡模块设计的核心内容和重要性。关于为什么需要做电池均衡，这是由于电芯在生产制造过程中存在的不一致性，导致电芯在参数上的差异，进而影响电池组的整体性能。为了提升电池组性能和使用寿命，必须对电芯进行均衡。

对于单体均衡模块设计，其核心在于根据不同电芯的实际情况，通过均衡策略调整其充放电状态，使电池组中各电芯的参数趋于一致。基于被动均衡的均衡模块设计流程及逻辑，主要是利用电阻、电容等元件对过充或过放的电芯进行能量消耗或补充，从而达到均衡目的。这种设计能有效提高电池组的安全性和寿命。

baoshijie

电池单体均衡模块设计是电池管理系统（BMS）中的重要组成部分，对于提升电池组性能和延长使用寿命至关重要。针对您提到的内容，以下是关于该设计的专业回复：

一、均衡的目的：为确保电池组中各单体电芯的电压、容量和内阻等参数保持一致，避免因参数差异导致的电池组性能下降和安全隐患。

二、均衡的分类及原理：均衡分为主动均衡和被动均衡。被动均衡通过电阻放电的方式，将电压过高的单体电芯进行能量消耗，从而达到均衡目的。

三、基于被动均衡的均衡模块设计流程及逻辑：设计流程包括需求分析、电路设计、元件选型等。设计逻辑需考虑电池组的整体性能，确保各单体电芯的电压、容量等参数在合理范围内，以提升电池组的安全性和寿命。

综上所述，电池均衡是为了确保电池组中每个单体电芯的性能一致性，避免因参数差异导致的电池组性能下降。在设计均衡模块时，需充分考虑实际需求，选择适合的均衡方式，并确保设计的安全性和可靠性。