EVERLASTING項目是歐盟“地平線2020”研究和創(chuàng)新計劃資助的項目，旨在通過開發(fā)更加準確和標準化的電池監(jiān)測和管理系統(tǒng)來提高鋰離子電池的可靠性、壽命和安全性，能夠在所有情況和全生命周期內(nèi)預測電池行為，能夠?qū)崿F(xiàn)積極和有效的電池管理。

鮑教授翻譯的第一篇介紹電芯均衡，特別是如何評價均衡策略。首先討論什么情況下真正要電芯均衡；其次基于儲能的應用場景含義了不同的均衡策略；最后提出一種適用于大多數(shù)場景的均衡策略。

1、電芯不均衡的根本原因

由于去中心化的能源基礎設施（固定式儲能設備），以及日益上升的環(huán)境友好型出行工具（電動汽車），要可靠和經(jīng)濟的電能存儲解決方案。鋰離子電池由于其高能量密度顯示出滿足這些需求的潛力。然而，電動汽車不但要高能量密度，還要高的整體能量（大容量電池包）。為了滿足這些需求，電芯通過串聯(lián)和并聯(lián)組成電池包，一個電池包內(nèi)可能多達幾千節(jié)電芯（例如TESLA采用的18650或者21700電芯）。電池包電壓與可容忍損耗和電力電子設計有關(guān)，通常決定串聯(lián)的電芯數(shù)量。另一方面，并聯(lián)電芯的數(shù)量取決于整個電池系統(tǒng)的能量和功率需求。

由于制造公差，例如電極厚度和整體組件連接性的變化，使電芯的特性略有不同。由于制造精度有限，即使是同一批次的電芯，其初始容量和阻抗也各不相同。這些參數(shù)偏差呈高斯（正態(tài)）分布。不同的電芯容量和阻抗意味著在串聯(lián)連接中，總是有一個電芯或多個電芯塊（多個電芯并聯(lián)），它們首先到達充電結(jié)束或放電結(jié)束電壓。考慮安全因素這些首先到達充電結(jié)束或放電結(jié)束電壓限制是不能超過的，使得其他電芯的容量不可全部利用。此外，由于電芯內(nèi)部參數(shù)的變化或溫度梯度的存在，不同的自放電和老化速率使得電芯電壓出現(xiàn)差異。這種電芯電壓差異導致進一步過早限制電池包的容量。為了避免可能的容量限制，電池系統(tǒng)中通常要均衡電路。

一般來說，電芯不平衡與電芯質(zhì)量有關(guān)，電芯質(zhì)量包括初始電芯參數(shù)的變化和相同條件下的老化行為、電池系統(tǒng)質(zhì)量特別是熱管理系統(tǒng)質(zhì)量。假如能實現(xiàn)完全相同的電芯以及電池系統(tǒng)內(nèi)部沒有任何溫度梯度，那么均衡系統(tǒng)將不要，然后這是不可能實現(xiàn)的任務。

2、電芯均衡的目標

電芯均衡的目標取決于電池包的應用場景。電動汽車的目標是達到最大可能的續(xù)航里程，而參與電網(wǎng)控制的固定電池包的目標則是隨時供應所需的電力。

對電動汽車來說為了最大限度地提高電池包的能量含量，必須充分利用每個電芯的能量，在完全放電的情況下，盡管每個電芯的容量和阻抗有所不同，但必須實現(xiàn)從100%SOC開始放電至0%SOC。對參與電網(wǎng)控制的固定儲能來說，處于木桶效應最弱板塊的電芯或者電芯塊要一直處于某一固定SOC，以便允許在指定的時間內(nèi)釋放和吸收正負電流脈沖（調(diào)頻應用）。由于電動汽車的應用領先于電網(wǎng)儲能應用，因此最大限度地提高電池的能量含量是電芯均衡的首要目標。

3、電芯均衡算法評價

在不均衡的情況下，并不是所有的電芯容量都被完全利用，剩余的能量必須通過均衡電路重新分配。均衡電路通常能夠調(diào)整單個電芯或電芯塊的能量水平。一般有兩種均衡系統(tǒng)：耗散均衡系統(tǒng)（被動均衡）和非耗散均衡系統(tǒng)（主動均衡）。主動均衡在不造成較大損失的情況下將能量從一個電芯或電芯塊轉(zhuǎn)移到另一個電芯。幾乎所有的主動系統(tǒng)都要大量的電力電子器件，如線圈、電容器和場效應晶體管以及相應的控制方案。導致額外的重量和成本，因此在商業(yè)應用中使用主動均衡系統(tǒng)較少。被動均衡系統(tǒng)由一個電阻和一個與電芯并聯(lián)的電氣開關(guān)實現(xiàn)，由于其簡單性和成本優(yōu)勢而受到青睞，被動均衡通過放電來調(diào)節(jié)單個電芯或電芯塊的能量水平。下面將對常用的被動均衡技術(shù)進行實際評估。

一般有三種均衡算法：基于SOC的均衡算法、基于模型的均衡算法和基于電壓的均衡算法。

基于SOC的均衡算法

基于SOC的均衡是最精確的，因為理論上它根據(jù)含義利用了所有電荷。然而，基于SOC的均衡算法實際效果很大程度上取決于SOC的準確性。SOC是一種不能直接測量的狀態(tài)，SOC通常采用估計技術(shù)（卡爾曼濾波、神經(jīng)網(wǎng)絡等）和安時積分。即使這些方法能夠在電池生命周期開始時供應準確的結(jié)果，但是在運行過程中精度會迅速下降，估計誤差往往會超過2-3%（國內(nèi)BMS的SOC估計誤差估計在5%）。目前最先進的鋰離子電池的相對參數(shù)方差遠遠低于1%，這使得使用不準確的SOC值作為均衡輸入?yún)?shù)是不夠的。

基于模型的均衡算法

鋰離子電池的一個重要特性是SOC與開路電壓（OCV）之間的非線性關(guān)系，如圖1所示。OCV隨著SOC的新增而增大。這種關(guān)系是由鋰離子電池正極和負極材料的電位決定的。當有電流負載時，歐姆電阻、轉(zhuǎn)移阻抗和雙電層效應導致出現(xiàn)過電位，因此測量到的端電壓（非OCV）并不能直接反映實際SOC?；谀Ｐ偷木饫秒娦灸Ｐ蛠砉烙嬰娦镜倪^電位，就有可能使用電流負載下的端電壓來實現(xiàn)SOC平衡。然而基于模型的均衡算法與基于SOC的平衡算法有著相同的缺點，鋰離子電池的非線性特性使其很難實現(xiàn)魯棒和精確的模型，因為所有的模型參數(shù)在SOC范圍內(nèi)、不同的溫度范圍內(nèi)、特別是在使用壽命內(nèi)都會發(fā)生變化。

圖1NMC/石墨電芯的OCV曲線和等效電路模型

基于電壓的均衡算法

最可能實際應用的的均衡算法是基于電壓的均衡算法，因為每個電池系統(tǒng)都會監(jiān)測電芯電壓。通常在充電過程中通過均衡電路調(diào)整電芯電壓。然而端電壓不一定反映SOC，因此負載下的電壓均衡可能會進一步惡化電池包的不均衡。這種不均衡取決于實際的充電電流、電芯的過電位和OCV的斜率。降低電流可以緩解這個問題，因此恒壓（CV）充電階段適合進行電芯均衡。然而，由于短板電芯的充電結(jié)束電壓通常是充電器電流控制的輸入，所以短板電芯的電壓不能被扭曲，因此也不建議在CV階段進行電壓平衡。

由于先進鋰離子電池質(zhì)量的提高，其內(nèi)部參數(shù)變化很小。此外，電池包內(nèi)的溫度梯度可以通過特定的設計措施（熱管理系統(tǒng)）來緩解。以上因素均減小了電芯電壓差異，但是電芯電壓差異還是存在，因為其是不可消除的。充電結(jié)束靜置相當長一段時間后電芯的過電位消除，此時端電壓反映了電芯SOC，通過將所有電芯的電壓放電至電池包內(nèi)最小電芯電壓，此過程只消耗一小部分的放電能量，因此只要不經(jīng)常進行這種電壓平衡就認為是可以接受的。

4、結(jié)論

由于制造公差，鋰離子電池在容量、阻抗和自放電率方面表現(xiàn)出差異，這導致電池包中的電壓差異，該電壓差異限制了可達到的放電能量，并且在存在溫度梯度時可能進一步惡化。為了最大化電池包的能量含量，通常使用具有旁路電阻器的被動電路。

建議在電池包完全充電后的休息期間應用電壓均衡，在此過程中將所有電芯電壓放電調(diào)節(jié)到與串聯(lián)電池包內(nèi)的最小電芯電壓一致。