1.BMS功能介紹

電池管理系統（BMS：BatteryManagementSystem）在電池組管理中具有舉足輕重的作用，時刻監測每一塊電池的電壓、內阻、SOC變化以及整組電池的電壓、充放電流、SOC實時估算、溫度等重要參數，當這些參數發生異常時，及時進行信息顯示，發出預警提示，甚至自動執行關斷等保護動作。

2.BMS關鍵技術及短板

BMS在電池組管理中的功能雖然強大，但這只是表面上的，BMS的核心功能是電池管理，既然稱之為管理系統，那么就應該管理到位，而不能停留在各種狀態、參數的監測上，讓用戶干預，特別是電池的安全運行和續航穩定性方面。

現有的BMS技術，在核心問題的管理上遠遠沒有達到預期的要求，也并沒有起到應有的管理作用，存在嚴重的技術和管理短板，下面進行簡要分析：第一，BMS未能解決電池組一致性問題。一致性問題是電池組運行一段時間后最容易發生的普遍問題，是通病，是一個電池管理技術難點，很多問題都是由它引起的，是一個世界性的電池管理技術難題。

電池管理系統

以電動汽車電池組為例，盡管車用電池組在裝配之前都會經過嚴格的挑選，保證一致性都非常好，并且一直處于BMS的監控和管理下，但使用一段時間后還會發生一致性問題（初期一致性問題是輕微的，甚至可以忽略不計），并且隨著使用時間的延長，一致性問題會逐漸積累和加重，最直觀的表現是實際續航里程逐漸縮水，充電量也逐漸降低，這種續航里程的縮水和充電量的降低程度通常都高于車輛廠商的手冊規定值。

第二，BMS沒有很好地發揮電池組的運行功效。電池組發生嚴重不一致性問題后，為了防止“落后”電池過充電和過放電，BMS會適時發出高壓和低壓預警信息，并會適時關閉充電通道和放電通道，這將導致正常電池無法充滿電和有效放電，容量無法得到有效利用，對于電動汽車而言就是續航里程短時間內縮水嚴重。

研制BMS的本意是保障電池組的穩定運行。這里的穩定不僅包含安全充放電和運行穩定，還包括容量的持續穩定，容量穩定主要是指單體電池和整組電池容量的衰減要符合電池的正常衰減規律，在電池組的設計循環壽命內，電池組的容量應平穩、合理衰減，如果無法保證電池組的合理衰減，那就意味著BMS的功能和作用沒有實現。

第三，被動均衡是沒有辦法的辦法。被動均衡的亮點是可以最大限度地保證充電時所有不同容量的電池都能充滿電，即均衡充電，這是所有廠商都極力宣傳的，對于被動均衡的固有缺陷如小容量電池容易發生過放電，均衡速度慢，電池組電能利用率降低等卻只字不提，被動均衡無法解決均衡放電的問題。

我們都知道，電池組的容量取決于放電容量，而放電容量又取決于容量最小的那快電池，被動均衡的執行會讓容量最小的那快電池始終工作在相對較高的充放電倍率下，衰減速度相對最快，從而使其容量變得越來越少，最終導致電池組的可用容量快速下降。另外，由于被動均衡的電流都非常小，所以被動均衡在防止小容量電池過充電方面只能起到輔助作用。

第四，影響SOC估算。SOC實時估算是BMS最重要的功能之一，一致性問題和衰減問題的存在會導致衰減電池的電壓變化量加大，直接影響SOC估算的準確性和誤差，影響剩余續航里程的估算和出行路線與方案的決策。

例如，衰減電池在放電期間，特別是臨近放電結束時，電壓會快速下降，SOC估算值也會隨之快速下降，而不是緩慢下降，當停止放電或大幅度降低放電電流時，衰減電池的電壓又會大幅度反彈，從而使SOC估算值又快速反彈，這種情況又稱SOC跳變，這將嚴重影響SOC估算值的準確性和相對穩定性，直接干擾和影響用戶出行決策。

3.BMS無法解決一致性問題的關鍵原因

BMS為什么不能解決電池組的一致性問題，根本原因是自身提供的均衡控制策略與功能缺陷造成的，其均衡控制策略無法解決等倍率充放電的問題，即使配置了主動均衡充電功能也無法從根本上解決問題，只是起到表面作用或者心理作用，對于解決一致性問題無濟于事。詳細分析如下：

第一，均衡充電功能即使工作正常，最好的效果也只能保證小容量電池不發生過充電行為。電池組的充放電使用過程中，有一個概念和實際使用情況常常被忽略，那就是充放電倍率，對于同一串聯電池組，由于一致性問題的存在，不同容量的蓄電池，其充放電倍率是有差異的，容量越小充放電倍率相對越大，容量越大，充放電倍率相對越小。

研究和應用數據表明，充放電倍率對電池的衰減影響是有規律的，即充放電倍率越大，電池衰減速度越快。由此可見，小容量電池如果始終處于相對較高的充放電倍率下，衰減速度始終是最快的，在高倍率充放電情況下，小容量電池無論是否帶有均衡充電功能都無法避免其容量持續快速衰減和下降的事實。

高倍率充放電帶來的另一個非常嚴重的負面作用是衰減電池溫度的加速升高，容易引發“熱失控”的故障，從而導致車輛充電期間和行駛期間電池組發生自燃和爆炸。相反，均衡充電的長期連續使用，會使小容量電池的容量越均衡越少，容量差異越來越大，這就是電動汽車的充電均衡時間越來越長的根本原因。

第二，等倍率充放電是解決小容量電池快速衰減的根本策略。等倍率充放電是指在串聯電池組中，不同容量蓄電池在轉移式電池均衡器的介入和干預下，實現相同倍率的充電和放電。等倍率充放電是保證電池組循環使用壽命的關鍵，同時等倍率充放電主動降低小容量電池的實際充放電電流，因而能有效降低衰減電池的溫升，預防熱失控故障。

新電動汽車之所以續航里程長、充電容量大，主要是因為電池的一致性比較好，每塊電池的充放電倍率都基本相同，隨著電池一致性問題的顯現和加重，充放電倍率差異也逐漸拉大，進一步加劇了電池組的衰減，可用容量降低，因此，續航里程逐漸縮水、充電容量也越來越少。

由此可見，電池的一致性問題不徹底解決，人們對于電動汽車的續航里程快速衰減詬病就不會消除。那么，國內電動汽車廠商為什么只選用被動均衡而不考慮節能、高效的轉移式主動電池均衡技術呢？這是因為：

一是成本因素，被動均衡技術成熟，成本非常低，易于實施；而主動均衡的典型代表，轉移式電池均衡技術雖然高效節能，但技術復雜，實現難度大、體積較大，成本高；二是沒有開發出或適合的轉移式電池均衡技術，特別是高效率的轉移式實時電池均衡技術。

BMS系統技術有待提升

電動汽車用電池均衡器應具有下列特征：待機損耗要低、實時均衡、高速均衡（支持大電流均衡）、高效率均衡（自身發熱量要低），使電池組實現低壓差運行，只有這樣，電池組的一致性問題和快速衰減問題才能徹底解決。

4.如何在BMS中解決一致性問題

等倍率充放電問題研究和實驗數據表明，充放電倍率差異是導致電池差異擴大、一致性問題凸顯的主要原因，既然均衡控制是BMS的短板，那么就需要在均衡控制技術上加大研發力度，攻克這一短板。

電動汽車的續航能力取決于電池組的可用電量，對于標準電池組，可用電量等于最小容量電池電量，可用電量是指實際放電容量，代表了電池組的實際蓄電能力，在可用電量明顯衰減的情況下充電容量同樣會嚴重衰減，衰減嚴重的情況下，續航能力必然快速下降，很多電動汽車使用一兩年后實，際續航里程和充電容量均嚴重下降，都是由于電池組的衰減過大造成的。

通過大量的科學研究實驗和測量數據統計分析，得出一個結論，高效、高速、轉移式實時電池均衡器是解決電池組一致性問題的最好技術，這種均衡功能既可以與BMS整合在一起，也可以獨立開發，再通過BMS進行聯動控制，實行互補。

這種結合有兩種方式，一是兩者直接集成在一起，存在于同一個PCB上，優點是減少設備的體積和成本，易于管理，缺點是系統的復雜程度提高，發生故障的概率增大。第二種方式是BMS和均衡設備獨立設計，均衡功能啟動與關閉由BMS控制，這種方式優點是：系統設計和應用靈活，系統均衡效率和可靠性提高，不足是設備都是獨立設計和布置的，占用空間略大。

5.實例

實驗電池組是一組2并4串衰減鋰電池組，由于衰減嚴重，實際剩余容量和內阻差異非常大，其中，3#電池的實際剩余容量最小，電池組的下方為鋰電池均衡器實驗樣機。放電標準為：2A恒流放電，整組放電放電設定終止電壓11.8V，其普通放電和均衡放電對照曲線如圖2所示，圖中，縱坐標代表電壓，單位是伏特，橫坐標代表放電時間，單位是秒，藍色曲線為普通放電曲線，紅色曲線為均衡放電曲線。

通過放電曲線對照圖可以清晰地看到，均衡放電的放電時間、放電容量和放電平臺穩定性方面都明顯優于普通放電。實時測量數據表明。普通放電模式下，當放電終止時，3#電池已進入嚴重過放電狀態，剩余電壓已經降至1.4V，而其它三塊電池還有較多電量沒有釋放出來，剩余電壓在3.4～3.6V之間；而在均衡放電模式下，到達放電終止電壓時，平均電壓在2.94～2.97V之間，最差的3#電池未發生過放電，其它三塊電池電量也釋放充分，電量幾乎全部釋放出來。這種對照實驗結果在一致性明顯的多串電池組中具有普遍性。

6.解決一致性問題相當于BMS及電動汽車的一次革命

電動汽車電池容量快速衰減和續航里程快速縮水的現實問題嚴重影響人們對于電動汽車的購買熱情，不少電動汽車，僅僅使用了兩三年，實際續航里程就衰減嚴重，電池組的整體表現甚至就達到需要更換的標準，這既不是廠商想看到的，也不是消費者希望的，電池組衰減并不是整組電池都衰減了，而是其中的一串或幾串的衰減引起的，對于這種情況，被動均衡無能為力。

電池組的衰減不是一兩個充放電循環就形成的，而是需要多次充放電循環的積累，通過量變逐漸引起質變，如果能夠在電池出現差異的跡象前就主動進行電池均衡干預，將一致性問題消滅在萌芽狀態，那么電池組就會一直運行在良好狀態，想不長壽都難。

百姓對于電動汽車電池的衰減之所以非常關注和重視，是有道理的，電動汽車的售價不菲，如果電池組耐用，的確可以降低出行成本，但如果電池組的壽命非常短，更換一次電池組的費用就要接近整車價格1/3-1/2，有些享受高額補貼的電動汽車更換電池組的價格甚至高于整車的價格，整體使用成本將遠大于燃油汽車，盡管電動汽車廠商都給出了很長的質保期，但在質保期內，汽車續航里程縮水的問題非常普遍，半路拋錨的情況時有發生，如果不是因為各種限制，消費者通常不會作為購車首選。

7.展望

一致性問題是電動汽車電池組普遍存在的問題，它的發生會產生很多的連鎖問題，問題雖然很普遍，但解決難度卻很大，既有技術原因，也有成本因素，難以平衡，高效、轉移式實時電池均衡技術的出現為電動汽車及動力、儲能電池組的一致性管理帶來了希望和曙光，隨著這項技術的不斷優化和完善，會日臻成熟，屆時，電動汽車里程快速衰減、SOC跳變等一系列問題都將迎刃而解。

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

第一作者簡介：

周寶林（1968－），男，工程碩士，高級工程師。主要研究方向：電池均衡技術。