【導(dǎo)讀】主動(dòng)均衡和被動(dòng)均衡，是電動(dòng)汽車BMS業(yè)界的爭(zhēng)論熱點(diǎn)之一。像極了華山劍派的氣宗和劍宗之爭(zhēng)，業(yè)內(nèi)爭(zhēng)論的不亦樂(lè)乎，但業(yè)外卻看得不明所以。
均衡之于動(dòng)力鋰電池組的重要性就不再贅述，沒(méi)有均衡的鋰電池組就像是得不到保養(yǎng)的發(fā)動(dòng)機(jī)，沒(méi)有均衡功能的BMS只是一個(gè)數(shù)據(jù)采集器，很難稱得上是管理系統(tǒng)。主動(dòng)均衡和被動(dòng)均衡都是為了消除電池組的不一致性，但兩者的實(shí)現(xiàn)原理可謂是截然相反。因?yàn)橐灿腥税岩揽克惴ㄓ葿MS主動(dòng)發(fā)起的均衡都定義為主動(dòng)均衡，為避免歧義，這里把凡是使用電阻耗散能量的均衡都稱為被動(dòng)均衡，凡是通過(guò)能量轉(zhuǎn)移實(shí)現(xiàn)的均衡都稱為主動(dòng)均衡。
被動(dòng)均衡先于主動(dòng)均衡出現(xiàn)，因?yàn)殡娐泛?jiǎn)單，成本低廉至今仍被廣泛使用。其原理是依照電池的電量和電壓呈正相關(guān)，根據(jù)單串電池電壓數(shù)據(jù)，將高電壓的電池能量通過(guò)電阻放電以與低電壓電池的電量保持相等狀態(tài)，也有以最高電壓為判據(jù)，比如三元鋰電最高4.2V，凡是超過(guò)4.2V就開始放電均衡。
因?yàn)锽MS概念和產(chǎn)品最早是由國(guó)外提出，國(guó)外半導(dǎo)體廠商最先設(shè)計(jì)出專用IC，開始只是檢測(cè)電壓和溫度，后來(lái)均衡的概念提出后，就采用了電阻放電的方法并將這個(gè)功能加入到IC中(因?yàn)檫@個(gè)放電控制的功能容易集成進(jìn)芯片里)，現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的TIMAXIMLINER均有此類芯片在產(chǎn)，有的是將開關(guān)驅(qū)動(dòng)做到芯片里，有的甚至試圖將開關(guān)也做進(jìn)了芯片里。
從被動(dòng)均衡原理及示意圖中我們可以看出，如果電池組比作木桶，串接的電池就是組成木桶的板，電量低的電池是短板，電量高的就是長(zhǎng)板，被動(dòng)均衡做的工作就是“截長(zhǎng)不補(bǔ)短”。電量高的電池中的能量變成熱耗散掉，電能使用效率低。不僅如此，因?yàn)閷㈦娔苻D(zhuǎn)變成熱量耗散，帶來(lái)了兩難的問(wèn)題，這就是如果均衡電流大，熱量就多，最后如何散熱成為問(wèn)題；如果均衡電流小，那么在大容量電池組中、電量差別大的情況下所起到的電量平衡作用效率很低，要達(dá)到平衡需要很長(zhǎng)時(shí)間，在應(yīng)用中有種隔靴搔癢的感覺(jué)。權(quán)衡利弊，所以現(xiàn)在被動(dòng)均衡的電流一般都在百毫安(100mA)級(jí)別。
因?yàn)楸粍?dòng)均衡的局限，主動(dòng)均衡的概念得以提出并發(fā)展。主動(dòng)均衡是把高能量電池中的能量轉(zhuǎn)移到低能量電池中，相當(dāng)于對(duì)木板“截長(zhǎng)補(bǔ)短”。因?yàn)椴幌癖粍?dòng)均衡只有“截”，在如何“補(bǔ)”的問(wèn)題上業(yè)內(nèi)充分發(fā)揮了各自的優(yōu)勢(shì)和想象力，主動(dòng)均衡的方案可謂異彩紛呈。除了飛度電容的方案(因?yàn)檫m用串?dāng)?shù)低，轉(zhuǎn)移有局限性而未能成為主流)，還有變壓器的方案，變壓器方案中又有各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。半導(dǎo)體廠家也設(shè)計(jì)了電池專用的DCDC轉(zhuǎn)換芯片，命名為主動(dòng)均衡控制芯片來(lái)推向市場(chǎng)，顯然是不想錯(cuò)過(guò)這班車。
主動(dòng)均衡帶來(lái)的好處顯而易見(jiàn)：效率高，能量被轉(zhuǎn)移，損耗只是變壓器線圈損耗，占比?。痪怆娏骺梢栽O(shè)計(jì)的大，達(dá)到幾安甚至10A級(jí)別，均衡見(jiàn)效快。雖然有這些好處，主動(dòng)均衡也帶來(lái)了新的問(wèn)題。首先是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尤其是變壓器方案。幾十串甚至上百串電池需要的開關(guān)矩陣如何設(shè)計(jì)，驅(qū)動(dòng)要怎么控制，這都是令人頭痛的問(wèn)題，所以這也是為什么至今主動(dòng)均衡功能無(wú)法完全集成進(jìn)專用IC的原因，半導(dǎo)體廠家一直希望能做出大一統(tǒng)的芯片，但在BMS上實(shí)在是力有不逮。對(duì)BMS整機(jī)廠家也是如此，主動(dòng)均衡電路結(jié)構(gòu)方面，少有廠家的設(shè)計(jì)可以令人耳目一新，擊節(jié)叫好。其次是成本問(wèn)題，復(fù)雜的結(jié)構(gòu)必然帶來(lái)復(fù)雜的電路，成本與故障率上升是必然的，現(xiàn)在有主動(dòng)均衡功能的BMS售價(jià)會(huì)高出被動(dòng)均衡的很多，這也多少限制了主動(dòng)均衡BMS的推廣。
因?yàn)閮煞N均衡功能各有利弊，本來(lái)主動(dòng)均衡功能是可以替代被動(dòng)均衡功能的，但因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)復(fù)雜成本高，而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜之后故障率也會(huì)高而與被動(dòng)均衡處于膠著狀態(tài)，業(yè)內(nèi)人士常為了哪種均衡更好爭(zhēng)論不休。特斯拉的BMS均衡功能(被動(dòng)均衡，見(jiàn)下圖中Cellbalancingcircuit中所指均為放電電阻)經(jīng)常被示范以證明被動(dòng)均衡強(qiáng)于主動(dòng)均衡。其實(shí)這反而證明了任何技術(shù)選擇都要和整體條件適用的道理。
特斯拉的電池是松下提供的特制的18650鋰電池，本身一致性非常好，而且在壽命期間一致性差異擴(kuò)大有限，用被動(dòng)均衡就足夠了。不像我國(guó)從電池原材料到生產(chǎn)工藝還有待提高，電池一致性離散程度還比較大，主動(dòng)均衡在動(dòng)力型鋰電池組應(yīng)用中會(huì)更適合。
被動(dòng)均衡適合于小容量、低串?dāng)?shù)的鋰電池組應(yīng)用，主動(dòng)均衡適用于高串?dāng)?shù)、大容量的動(dòng)力型鋰電池組應(yīng)用。對(duì)BMS來(lái)講，除了均衡功能非常重要，背后的均衡策略更為重要。在電池單體的一致性差異在一定范圍內(nèi)時(shí)，電池的電量和電壓成正相關(guān)；但是當(dāng)電池的一致性差的遠(yuǎn)，也就是有電池處于受損狀態(tài)時(shí)，電量和電壓相關(guān)性就沒(méi)那么強(qiáng)了，這時(shí)的均衡依據(jù)，就不能單以電壓這一數(shù)據(jù)來(lái)判斷。如果意識(shí)不到有電池?fù)p壞到臨界狀態(tài)以下，依然根據(jù)電壓均衡，反而會(huì)對(duì)電池造成傷害，尤其是主動(dòng)均衡，因其電流大造成的傷害會(huì)比被動(dòng)均衡更大。
電動(dòng)自行車發(fā)展史上，有過(guò)“電池不是被用壞的，而是被充壞的”說(shuō)法，電池?fù)p壞的矛頭指向了充電器廠家。不知電動(dòng)汽車發(fā)展史上是否也會(huì)上演同樣的歷史：“電池不是被用壞的，而是被均衡壞的”。這值得所有BMS廠家提高警惕，均衡方式和均衡策略都需要重視。按華山劍派的說(shuō)法，氣宗練氣是為了最后以氣御劍，心劍合一。比照起來(lái)，主動(dòng)均衡和被動(dòng)均衡都可以算劍宗，一個(gè)輕劍一個(gè)重劍，均衡策略算是氣宗。只有氣劍同練，才好在市場(chǎng)上華山論劍。
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