電池組一致性問題是電池組使用期間的最常見問題，也是最難以解決的技術難題，對于電動汽車而言，非常影響車輛的實際充放電電量和汽車的續(xù)航里程，情況嚴重的還會發(fā)生熱失控故障并引發(fā)車輛自燃，車載BMS的SOC估算準確度往往都是建立在電池組一致性良好的情況下，電池組一致性問題的存在將徹底擾亂SOC估算準確性。

只有解決或者降低一致性問題的發(fā)生及影響，SOC估算才有實際意義，本文通過高效率的主動型、實時高效電池均衡系統運行實例及數據，證明了該技術對于提高電池組SOC估算值的作用是明顯、高效的。

關鍵詞：SOC、一致性、主動均衡、雙向同步整流；

電池組SOC估算的方法有很多種，既有傳統的電流積分法、電池內阻法、放電試驗法、開路電壓法、負載電壓法，也有較為創(chuàng)新的卡爾曼濾波法、模糊邏輯理論法和神經網絡法等，各種估算方法都有自己的優(yōu)缺點，適合不同電池系統。

在BMS中，SOC（State Of Charge 電池荷電狀態(tài)）、SOP(State Of Power電池能源狀態(tài))、SOH(State of Health電池健康狀態(tài)) 都是非常重要的管理指標，直接關系到BMS的管理質量和成敗，特別是實時SOC值，匹配一個與之相對應的預估行駛里程，它是使用者在實際使用中判斷電池系統狀態(tài)的依據，直接影響出行計劃的安排和實施。

在上述各種估算方法中，都是建立在電池組一致性良好的條件下，均存在一個嚴重缺陷，那就是如果電池組發(fā)生了一致性問題，特別是一致性問題突出的情況下，SOC估算就會產生非常大的估算誤差，給使用者帶來誤導甚至引發(fā)事故。

例如，電動汽車出發(fā)前顯示可行駛里程遠遠高于駕駛者的實際路程，但行駛途中卻突然急速掉電，甚至突然沒電，半路拋錨，如果是在高速公路上行駛，非常容易發(fā)生被追尾事件。

鋰離子動力電池組的實時SOC是一個變量，無法直接測量，不能通過傳感器件直接測量得到，在工作時會受到外部環(huán)境多方面因素的影響。包括溫度、放電電流、放電倍率、內阻、自放電率、衰減程度等等。

在上述因素中，影響最大的因素是電池組的衰減程度，衰減程度直接影響和決定了電池組的SOC估算值和可用范圍，衰減程度只是外在表現，實際是由于一致性問題引起的。

電池組的SOC值取決于電池組中容量最小、即衰減程度最嚴重的單元電池，即類似于“木桶原理”中的最短木板，其它電池即使未發(fā)生容量的衰減，超過衰減電池容量的部分也是無法得到利用的，不僅影響實際續(xù)航時間，還白白浪費寶貴的容量。如圖1所示，圖例為衰減后的13串鋰電池組容量分布示意圖。

圖1 13串衰減鋰電池組容量分布示意圖

通過示意圖可以看到，衰減后的電池組，7#電池由于衰減最嚴重，在整個電池組中的剩余容量最小，因此電池組的SOC值就取決于7#電池，其它電池的衰減程度雖然相對較小，剩余容量都遠遠高于7#電池，但是由于BMS的存在，需要保護容量最小的7#電池不發(fā)生過放電，其它電池的容量即使再多也會被BMS忽略，不起任何作用。

因此，電池組實際放電容量的最大值就是7#電池的容量，即電池組的可使用容量的最大值就是圖中的最低容量線的容量。圖中，還有一條平均容量線，它介于最高容量和最小容量之間，近似于所有容量之和的平均值。

由于一致性問題的存在，最低容量與平均容量存在較大的差異，一致性問題越嚴重，這個差異越大，最終將導致可用SOC與平均SOC存在較大差異，這將直接影響電池組的實際續(xù)航時間。

SOC估算需要用到電流、單體電池電壓、單體電池內阻等參數，最終轉換成實際SOC值，在一致性問題的影響下，不管SOC估算策略如何，受限于BMS在均衡管理功能上的短板，SOC估算值只能無限接近于組內最小容量電池的SOC，低于平均SOC值。

即整組電池中，發(fā)生衰減的一、兩塊電池的SOC值決定了整個電池組的SOC值，與其它電池的SOC值基本無關。電池組的一致性問題越嚴重，SOC估算值就越低，就會更嚴重偏離SOC平均值，不僅導致電池組的SOC利用率下降嚴重，更嚴重影響實際電池組的實際續(xù)航時間和利用效率。

衰減電池普遍具有內阻偏高的特點，當對其進行充放電操作時，電壓的波動幅度明顯高于正常電池，這一特征，會嚴重影響SOC的實時估算，甚至會使計算值嚴重偏離實際值，影響用戶的實際體驗。

通過前面的分析可知，影響SOC估算的主要原因是電池組的一致性問題，如果通過技術手段把一致性問題解決了，SOC的估算值和實際可用的SOC就會上升，這在應用和管理上具有重要現實意義，特別是對于高價值設備。

理論上，電池組的放電容量決定SOC估算值，一致性問題存在恰恰影響的是實際放電容量。通過前面的示意圖可知，一致性問題導致衰減電池組的平均容量高于最低容量，一致性的問題就越嚴重，這個差異就越大，因此，提高電池組SOC估算值就要從提高電池組的平均容量利用率著手。

而要提高平均容量利用率，就必須讓所有高于最低容量的電池提高放電容量，用于彌補最低容量電池放電能力的不足，這就是具有高效放電均衡功能的電池均衡技術[1]。電池放電均衡技術的核心是所有高于最低容量的電池主動提高放電電流，提高的放電電流通過高速、高效轉換為最低容量電池提供放電電流補充，從而主動減小最低容量電池的實際放電電流。

通過放電倍率的最優(yōu)化自動調整和匹配，延長最低容量電池的實際放電時間，從而到達延長整個電池組實際放電時間的目的。實際放電時間延長了，那么實際放電容量自然就延長了，即電池組的實際利用容量增加了。

如圖2中的實際利用容量線（加粗虛線所示），它高于最低容量線，但略低于平均容量線，這是由于存在均衡效率和均衡損耗的實際問題，容量會有少量的損耗，但這種損耗是值得的，特別是對于大容量儲能、動力電池組。

圖2 13串衰減鋰電池組實際利用容量分布示意圖

我們知道，電池組的均衡技術，快速充電技術和電池SOC估算是電池管理系統的三項關鍵性技術。目前，電池均衡技術一直是一個亟待攻克的技術難題，除技術上的研發(fā)難度之外，成本過高一直制約其發(fā)展和普及，均衡問題又嚴重影響電池組的快速充電和SOC估算，可以說，均衡技術才是BMS的最核心關鍵技術。

電池均衡技術包括被動均衡技術和主動均衡技術，被動均衡技術通過電子開關控制電阻放電來預防低容量電池過充電，除了均衡電流過小之外，其最大的弊端是無法解決電池過放電的問題，更無法改善和提高電池組的SOC值和容量利用率。

主動均衡技術包括很多種設計，并以能量轉移式設計最為典型，其中的主動充電均衡設計，雖然成本也比較高，但設計相對容易，充電均衡速度和效率遠高于被動均衡，同樣存在無法解決電池過放電的問題和無法提高電池組容量利用率的固有缺陷。

從電池組的應用需求來看，在充電均衡技術容易實現的情況下，我們最迫切需要解決的是放電均衡技術，從現有技術來看，研發(fā)最為困難的是同時具有放電均衡和靜態(tài)均衡功能的轉移式電池均衡技術。理論和實踐證明，只有這種電池均衡技術才能解決電池組SOC估算準確和容量利用率難題。

提高SOC估算準確性不僅僅是要提高估算精度，其真正的意義是為用戶提供真正可靠、具有真正參考價值的SOC信息，特別是電動汽車BMS系統的SOC估算，直接影響駕駛人的出行計劃、出行體驗及沿途充電安排。

下面結合具體實例進行闡述。為了使實驗更具有普遍性，實驗對象采用常見的13串48伏鋰電池組，為增強對比性，所用電池均為衰減程度不一的退役鋰電池。電池編號為上排從左至右分別為1#至7#電池，下排從左至右分別為8#至13#電池，最右側的帶有“表頭供電”字樣的電池分別負責為7#和13#電池電壓測量表頭供電。

每塊電池的下方對應一塊高精度電壓表頭，實時顯示當前電池的實時電壓，表頭采用級聯方式供電，需要消耗少量的電池能量。充電方式為CC-CV模式，恒流充電電流限制為1安，整組充電限制電壓54.6伏，當任何一塊電池的充電電壓達到4.2伏時停止充電（防止過充電）；放電方式為CC模式，恒流放電電流為1安，整組放電限制電壓39伏，當任何一塊電池的放電電壓降低到3.0伏時停止放電（防止過放電）。實驗前，每塊電池均未進行容量和內阻檢測。

4.1 常規(guī)放電實驗

先對所有電池并聯充電，充電至4.2V，然后恢復成串聯模式繼續(xù)充電，當其中的任何一塊電池再次充電至4.20V時停止充電，切換至放電模式，進行常規(guī)放電，實測有效放電時間22分鐘時11#電池已降至3.00V，換算成實際放電容量為0.37Ah，該容量就是此電池組的實際容量。

此時，整組電池放電結束時刻的電壓如圖3所示，此時大部分電池的電壓仍較高，仍具有較多電量沒有釋放出來，最大電壓差達到0.68V，說明電池組的一致性非常差（后經實際檢測，最大容量差異達到3.6倍）。實驗表明，一致性問題嚴重影響和降低電池組的有效容量和SOC值，造成容量的浪費，一致性問題越嚴重，有效放電容量和SOC的利用率會越低。

圖3   鋰電池組常規(guī)放電結束時的電壓情況

4.2 均衡放電實驗

接下來，將本文電池均衡器實驗樣機連接到整組電池上，使電池組在電池均衡器的介入下進行充電和放電，充電結束時的各電池電壓如圖4所示，可以發(fā)現，在均衡器的介入下，電池的電壓一致性得到極大改善，相對電壓差非常小。

在保持均衡器連接情況下進行放電，實際放電時間明顯延長，當某塊電池電壓降至3.0V時，整組電池的電壓只有39.28V，已接近放電終止電壓39.0V，實測有效放電時間達到62分鐘，換算成實際放電容量為1.03Ah，實際放電時間和放電容量為常規(guī)放電的2.82倍。

均衡放電結束時刻的電壓情況如圖5所示，圖中顯示，絕大多數電池的電量釋放完畢，最大電壓差只有0.08V，遠低于常規(guī)放電結束時的電壓差，非常理想；作為實驗拓展，對電池組繼續(xù)放電至總電壓到39.0V（13*3.0V=39V），繼續(xù)觀察各電池電壓情況，是否存在有電池過放電的情況，實際放電情況見圖6。

圖4 鋰電池組均衡充電結束時的電壓情況

圖5 鋰電池組均衡放電到達結束標準時的電壓情況

圖6 鋰電池組均衡放電到達放電終止電壓39.0V的電壓情況

進行拓展實驗的持續(xù)時間只有1分23秒，電池組的總電壓就放電至39.0V，經計算，多釋放的容量只有0.023 Ah，此時，電壓下降幅度最大的依然是9#電池，但電壓仍然高達2.968V，遠遠高于鋰離子電池的放電保護電壓2.75V，最大電壓差只有85MV，說明電池均衡器的電壓均衡和電池保護作用是非常高效的。

4.3 兩種放電方式對比分析

通過對照實驗不難發(fā)現，同一電池組，均衡放電明顯提高了SOC的可用范圍，即提高了電池組的實際利用SOC值和SOC利用率，不同電池容量的利用率得到明顯提高，直接提升了電池組的利用率。均衡放電所帶來的另一個優(yōu)勢是常規(guī)放電所不具有的，那就是安全性的提升。

均衡放電通過智能調節(jié)不同容量電池的實際放電電流[2,3]，減輕了小容量電池放電電流壓力和放電倍率，使不同容量電池電壓可以最大限度實現同步下降，有效防范小容量電池的過放電，由于內阻原因引起的溫升大幅度降低，有效地防止了熱失控的發(fā)生概率，使得安全性大幅度提升。

電池組的一致性問題對于SOC估算和實際可用范圍的影響非常大，一致性問題越嚴重，SOC估算值和實際可用范圍越小，本文通過電池均衡理論分析和13串48伏鋰電池組的常規(guī)放電和均衡放電數據對比實例，證明了支持放電均衡功能的高效實時電池均衡器對于一致性問題的積極影響，不僅大幅度提高了SOC估算值和可用值，而且電池組的運行安全性又得到大幅度提高，對于提高電池組的平均容量利用率和預防熱失控意義重大。

參考文獻：

[1]周寶林、周全：一種具有雙向同步整流功能的轉移式實時電池均衡器

[2]周寶林、周全：轉移式電池均衡技術對電池電壓與荷電量影響的研究

[3]周寶林、周全：雙向同步整流技術在轉移式實時電池均衡器中的研究與應用