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

隨著新能源汽車的發(fā)展，動力電池進入了大眾的視角。其實，對這種電池，大眾是有些了解的，手機早就普遍應用了類似的鋰電池。所以，大家也會自然地試圖用手機電池的知識去理解動力電池。然而，動力電池和手機的電池，卻有著天壤之別。在動力電池系統(tǒng)中會存在手機電池沒有遇到的新挑戰(zhàn)——多節(jié)電芯串聯(lián)工作的均衡難題！ 這個問題是困擾包括電動汽車在內(nèi)的各類多節(jié)電芯串聯(lián)應用場景中普遍存在的難題。很多狀況，比如SOC不準，突然失速等等，甚至電池組突然損壞，很多是由這個均衡難題造成的。 在介紹這個發(fā)明之前，我先分析介紹一下：

一、什么是均衡難題（寫得比較通俗，基本屬于科普，專業(yè)人士可略過，直接進入二）

1)       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……我們的手機用單節(jié)3.7V電芯就夠了，可是電動汽車往往需要高達幾百伏的電壓，這就需要把數(shù)十上百節(jié)電芯串聯(lián)起來一起工作。所以，大家要明白，動力電池和手機電池不一樣！

2)       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，每個電池是否處于一致的狀態(tài)呢？ 這就是電池的均衡問題。電池的均衡，說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?？墒菍嶋H情況是，由于生產(chǎn)和老化損傷的差異以及實際溫度和受力的差別，電池組是不均衡的。細分的話，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，電能和化學能的轉(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)開始時是均衡的，每節(jié)電芯都是20%的電量，那么總的SOC也是20%。然后進行了充電，對電池組充入了相當于電池組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%，個別電芯是68.5%，還有個別的是67.5%。有人會問，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放熱。容易理解，在放電時，也會存在效率差異導致剩余電量不一致的情形

b 容量性差異，就是電芯的實際容量存在差異。比如標稱100AH的電芯，可能實際容量是103AH，也可能是97AH。 那么在類似前述a 的充電過程后，雖然看上去電量是一致的，可是對于實際容量103AH電芯而言，電量只達到了自身實際總?cè)萘康?/span>68%*100/103,也就是66%，而對于97AH的電芯而言，事實上電量已經(jīng)達到了該電芯總?cè)萘康?/span>70%

c 自放電差異，就是電芯在不工作的時候，也會隨著時間損失一些電量。而這一過程也會存在差異。比如前述68%的電芯，放置一月后，電量可能會降到66%，可是，個別電池還有66.5%的電量，也有個別電池電量只有65.5%

3)       “短板”效應

那么，電芯不均衡會有什么危害呢？ 最顯著的危害就是短板效應。我們知道，電芯不能過放電或過充電，也就是說，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，該電池組最多只能放出67.5%部分的電量，然后就會因個別電芯電量過低而必須強行斷電保護。那么，多數(shù)正常電池會剩余0.5%的電量無法使用。

容易理解，在反復的充放電過程中，這種電芯間的電量差距會越拉越大，經(jīng)過10次反復的充放電循環(huán)后，差距拉大到10%（每次放電也是0.5的差異的話）。比如說，除了正常充放電，城市道路，反復的剎車油門，頻繁上下坡，也都會引入這種差距的擴大。準確地說，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短板電芯的電量是10%，而另一個短板電芯的電量是90%，那么這個電池組的實際容量就降到了20%

4)       SOC誤差

理解了電芯實際電量的不一致性以后，就容易理解動力電池組SOC的誤差了。短板效應告訴我們，電池組的實際電量是由最差的那節(jié)短板電池決定的。可是，SOC是在統(tǒng)計整個電池組的總電量和總電壓，所以當電池組的不一致程度變大時，SOC的誤差也會變大。所以，就會出現(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，斷電保護了，車子直接拋錨了。這就是電動車常見的失速問題。只不過廠家都是把這種情況歸咎于車主沒有認真留意剩余電量。其實也是死無對證的，每次電量保護后，只要通過軟件對SOC自動歸零，就不會留下任何證據(jù)。只要充電，一切又都好了。車主只能抱怨眼睛打折，撞見鬼了。。。

5)       “短板更短”效應

電芯不一致帶來的危害不僅僅是前述短板效應，還會直接造成電芯更快老化。我們知道，電芯是有壽命的，每次充放電其實都會造成電芯實際的容量一定的衰減。上千次充放電以后，電芯的容量就會降到90%甚至80%。進一步地，不同的電量下，充放電對電芯的老化損傷是不一樣的。對接近滿電的電芯充電損傷會更大，反過來也是一樣，對電量很低的電芯放電，損傷也會更大。這也是為什么手機廠家經(jīng)常建議淺充淺放，來延長電池的壽命?？墒请妱悠嚲筒恍辛?，手機是單一電芯，而動力電池是多節(jié)串聯(lián)。我看到網(wǎng)上有些建議電動汽車不要充滿，每次充電到80%就好，其實這會嚴重損壞電芯（后面會分析）。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入滿電或低電狀態(tài)，因此，在反復充放電的過程中，短板電芯的老化程度更嚴重。這就是“短板更短”效應！

至此，大家看到了雙重的“惡性循環(huán)”：在反復的充放電過程中，不僅會引入電芯間的電量差異造成短板，而且，循環(huán)次數(shù)越多，這種電量差異會也來越大；更進一步，還會造成短板電芯的實際老化衰減程度越來越大（“短板更短”）

6)       目前的均衡手段

為了克服長串電池組的不均衡導致“短板效應”等危害，動力電池組都設(shè)計有專門的均衡電路。目前這些均衡電路的做法是普遍采用所謂的“被動均衡”電路，也就是充電過程中，在快充滿時，啟動SOC校準程序。大家注意，這個SOC校準和手機那種單電芯的電壓校準完全是兩回事！動力電池的SOC校準過程是，首先進入涓流充電，也就是用很小的電流慢慢充電。為什么要這樣呢？ 為了防止因過充電造成電芯損壞，需要高精度地監(jiān)控測量每節(jié)電芯的電壓，直到有一節(jié)電芯率先充飽。這時SOC校準程序會進入一個叫做“被動均衡”的過程，就是用旁路電路跳過充飽的那節(jié)電芯，繼續(xù)對其他的電芯充電。不斷重復上述過程，直到所有的電芯都充飽電。

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

7)       難點分析

講到這里，大家可能有一些疑問，電量均衡不就是測量一下每節(jié)電芯的電壓，從電壓高的電芯向電壓低的電芯補電嗎？其實，車廠不傻，他們不僅有博士碩士，很多還有院士，動力電池的均衡這個問題之所以成為世界難題，研究了幾十年了，還沒有徹底解決，是有原因的：首先，“測量一下電壓”，其實并不容易。我們通過外部電路測量出來的各電芯電壓，其實是電芯的外部電壓。這個電壓，在電芯大電流工作時，由于電芯內(nèi)部的物理結(jié)構(gòu)和化學進程的影響，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，導致無法準確測量到電芯內(nèi)部的實際真實電壓。如果以電池工作時的外部表征電壓來斷定電芯的電量差異并以此確定均衡方向，反而會錯上加錯。采用涓流充電時進行被動均衡，就是為了避免這種情況?？赡苡械呐笥岩獑柫?，不是還有主動均衡嗎？在駐車的時候，不是有的是時間慢慢均衡嗎？主動均衡，說的是從電量高的電芯中取一些電，補償給電量低的電芯。要實現(xiàn)主動均衡，就需要擁有可以連接到任何一節(jié)電芯的單獨充放電通路（事先無法知道哪節(jié)電芯會出現(xiàn)短板），也就是上百條通道，更何況，動力電池的電壓達到數(shù)百伏，而高壓半導體電路的代價是非常高昂的。

簡言之，均衡難題，難就難在測量難題和電路復雜度難題！所以，大家如果檢索一下有關(guān)電池均衡的專利，會看到數(shù)不過來的申請，可是，現(xiàn)在的電動汽車，均衡電路幾乎都是充電末段的被動均衡，長期沒有任何新進展。

二、創(chuàng)新方法

1)       沖破習慣思維

說到動力電池均衡問題，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，所以去要對電量差異進行補償，使它們的電量達到均衡一致?；谶@個想法，就必然需要精密的測量和對每個電芯專門的補償通路。主動均衡也好，被動均衡也好，都是寫進教科書的東西，好像也不可能再有別的什么辦法了。。。

我也是這個東西困擾了好幾年，終于有一天，擺脫了思維的慣性：一個動力電池組其實可以不止一個串聯(lián)電芯串，其實可以來兩串電芯串（其實這點還是容易突破的）；然后，進一步地，兩串電芯數(shù)量可以不一樣?。?！

2)       具體原理

目前，說的均衡，大家想到的只有主動均衡和被動均衡，本質(zhì)上都是通過外部測量電路找出“短板電芯”，然后通過補償電路進行補償，使之電量均衡。也就是測量電路、補償電路和控制邏輯。然而，大家都知道，其實只要兩個電芯并聯(lián)，它們之間就會自發(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電。我把這個現(xiàn)象叫做“自然均衡”。自然均衡的特點是沒有測量電路，沒有補償電路，本質(zhì)是用電芯“測量”電芯，用電芯“補償”電芯。那么問題來了，兩節(jié)電芯好解決，上百節(jié)怎么辦？對，就是兩串電芯錯位并聯(lián)！

斷開所有KB開關(guān)，接通所有KA開關(guān)，可以實現(xiàn)兩串電池的各電芯并聯(lián)。反過來也是一樣。不斷切換開關(guān)組KA和KB，就可以改變電芯EA和EB間的并聯(lián)對應關(guān)系，實現(xiàn)錯位并聯(lián)。進而利用錯位并聯(lián)，傳遞均衡效果，達到所有電芯均衡。不論在充電、放電、還是待機，都保持不間斷的開關(guān)切換，就實現(xiàn)了全時的自然均衡。

3)       功率MOS電路

4)       成本

大家看到這里，可能有些小失望：那么多功率MOS，這得多少錢呀？！

這也是一個誤區(qū)，其實差不多一年前，我就想到了“自然均衡”的方法，可是，那時的電路在成本上遇到了障礙，失敗了。現(xiàn)在這個電路，大家仔細觀察，就可以知道，這些開關(guān)的分斷電壓特別低，僅僅是一節(jié)電芯的電壓。而這類工作電壓低于10V的低速功率開關(guān)半導體，成本只有幾美分！因此，整個電路的成本并不大，對電動汽車而言，可望低至1美元/度的水平。