北京最好的青春痘医院 http://pf.39.net/bdfyy/bdflx/210312/8740647.html目前，市场上轻型车换电电池的主流型号是磷酸铁锂类型的60V20AH和48V20AH。由于锂电池单体电压通常为3.2V，容量有限，所以需要将多节锂离子电芯串并联使用。比如60V20AH的换电电池就是由20串3.2V20AH的电池串联而成，其实际电压是64V。48V20AH的换电电池就是由16串3.2V20AH的电池串联而成，其电压实际是51.2V。
既然是多节电芯串并联使用，那么各电芯间的电压、容量、内阻、自放电率等的一致性就非常重要了，它们之间的一致性程度直接决定着成组电池的质量和寿命。
一、什么是电芯的一致性
换电电池发挥最大效能的前提是单体电芯之间的一致性。
但一致性是一个相对概念，没有最一致，只有更一致。我们总结为“八个一致”：
（一）容量一致
电芯容量是电芯分组的初选内容，也是电芯不一致最重要的参数表现。每个电芯的容量大小要尽量一样，误差越小越好。造成容量不一致的原因很多，并且多数都是制造过程的不一致的结果。
（二）内阻一致
电芯的内阻不一致使得电池组中每个单体在放电过程中能量损耗各不相同，最终会影响电池单体的能量状态。
内阻不一致还会造成温升不一致，是引发其他参数进一步离散化的一类原因。
（三）电压一致
在电池组处于并联时，单体电压高的电芯会给电压低的电压充电，这会使低压电池容量小幅增加的同时高压电池容量急剧降低，能量将损耗在互充电过程中而达不到预期的对外输出。
（四）自放电一致
自放电率又称荷电保持能力，是指电池在开路状态下，电池所储存的电量在一定条件下的保持能力，是衡量电池性能的重要参数。
自放电不一致的电池在一段时间储存之后SOC会发生较大的差异，会极大地影响它的容量和安全性。
（五）循环寿命一致
电芯的循环寿命意味着电池充电容量降低到一定水平，可以循环充电和放电的次数。比如我们现在使用比较多的电池，就是在电池容量降低到80%时，至少可以完成次循环。
锂电池寿命减少的主要原因是参与能量转移的锂离子数量在不断减少。锂元素总量并未减少，而是“活化”的锂离子少了。
但也并不一定意味着容量最小的电芯或者工作条件最恶劣的电芯最先达到寿命的终点。每颗电芯从出生开始，其抗衰老的能力已经存在差异。
（六）放电平台的一致性
电池组在放电时各个电芯的放电平台电压曲线或下降的速度误差越小越好。
（七）恒流比的一致性
电芯在工作时放电电流和充电时电流的恒流比值不小于93%。
（八）带电量一致
电池的带电量不一致会导致电芯的过充或过放以及影响电池寿命。
上述“八个一致”对电池的生产过程和使用过程都提出了很高的要求，我们的目的就是尽量提升电池的一致性，以及采取相关措施，来最大限度降低电池的不一致性。
二、换电电池的不一致性及原因
换电电池的不一致性分为两种：生产过程的不一致性和使用过程中的不一致性。
（一）生产过程中产生的不一致性
锂电池制造工序繁多，包括配料、涂布、烘烤、辊压、卷绕、组装、注液、化成和分容等。这些工序都影响着电池的性能，各工序的误差累计是造成单体电池性能差异的主要原因。
即使是同一批次生产的电池也不能保证它们的参数完全一致，称为初始差异。虽然电池在每个生产环节产生的差异是很微小的，但是经过不断的累计，这种不一致性会不断被放大，在使用过程中这种现象会更突出。
比如在生产过程中电芯容量的不一致，一个10AH，一个9AH，一个11AH，如果串联的话，就产生了电芯间的不一致性。
（二）使用过程中产生的不一致性
我们对比下锂电池在电动汽车、储能、备电等的工作环境可以看出：储能、备电环境中，锂电池处于静止而非运动状态，减少了不同电芯之间的相互挤压和碰撞。电动汽车用锂电池有一个稳定的地盘环境，且防水和高低温等防护措施都做的比较到位。但反观我们的换电电池，风里来雨里去、长期高低温环境下作业、电池的BMS和相应的防护措施远没有电动汽车到位；外卖和快递小哥使用过程中又往往缺乏爱惜，导致换电电池的使用和运营环境基本是锂电池最具挑战的场景。
换电电池的使用环境是动力、储能、备电等诸多环境中最复杂的，会不可避免的导致老化程度增大、容量衰减、内阻增大和寿命缩短等现象，使用次数越多、越频繁，这种变化的差异就越大。
而锂电池不一致性的扩大又与电池组的“木桶效应”息息相关。
三、换电电池的“木桶效应”
（一）木桶效应
木桶效应又称短板理论，由美国管理学家劳伦斯·彼得提出，其核心内容为：一只木桶盛水的多少，并不取决于桶壁上最高的那块木块，而恰恰取决于桶壁上最短的那块。
（二）换电电池组的“木桶效应”
先看图a），假设a、b、c的标称容量相同，但最大可用容量不一致，电池b最小。那么，在充电时，电池b将率先达到充电的截止电压。但a和c还没有充满，只是为了避免b电池过充，充电才截止。
再看图b），放电时电池率先达到放电截止电压，但a和c还有可放的容量，但为避免电池b过放，放电过程必须截止。
这就印证了为什么我们的换电电池在使用了比如一年后，由于电池的不一致性降低了电池的实际可用容量，使得电动自行车车的行驶里程减小。
因此，我们可以看出，换电电池组最大可用容量由可用容量最小的电池决定，这就是换电锂电池组的“木桶效应”。
那么，怎么优化电池组不一致性导致的“木桶效应“？除了在生产过程中改进工艺水平外，必须在使用过程中采取相应的均衡策略，以改善电池间的不一致性，可延长电池的使用寿命，提高实际可用容量。
四、两类均衡策略
（一）什么是均衡
锂电池均衡就是通过内外部均衡电路，为锂电池的电芯“妙手回春”，其“治疗过程”就是“电池均衡”。
对于锂电池均衡，业界有句名言：
没有均衡的锂电池组就像是得不到保养的发动机，没有均衡功能的BMS只是一个数据采集器，很难称得上是管理系统。
但具体到均衡策略，又分为被动均衡和主动均衡：
凡是使用电阻耗散能量的均衡都称为被动均衡；
凡是通过能量转移实现的均衡都称为主动均衡。
可以看出，被动均衡和主动均衡都是为了消除电池组的不一致性，但两者的实现原理可谓是截然相反。孰优孰劣，又是BMS业界争论的热点之一。
就像《笑傲江湖》里华山剑派的气宗和剑宗。率性而为、豪放不羁、天生侠义心肠的令狐冲，表面仁义道德、背后却为了当武林盟主、甚至不惜抛弃尊严的岳不群，以及在无止境的厄运洪流中，走向极端毁灭的林平之……。剑宗瞧不起气宗，气宗觉得自己才是正派，为此两门派进行了一场大战，此战甚至决定了华山派的未来。虽然这场比试是气宗赢了，但主要是剑宗最厉害的风清扬当时没有到场，风清扬当时被骗到了江南，所以剑宗惨败。
然而放眼整个武林，能够屹立在武侠之巅，无不是将武功融合贯通，气宗与剑宗结合起来才是王道。
这似乎道出了被动均衡和主动均衡未来的方向。
（二）被动均衡
1.截长不补短
被动均衡又称耗散式均衡，主要指通过电阻放电，以热量形式直接消耗掉较高电压电池的能量。它先于主动均衡出现，因为电路简单、成本低廉，至今仍被广泛使用。由于电池的电量和电压正相关，所以可根据单体电池的电压数据，将高电压的电池能量通过电阻进行放电。
根据木桶原理，电量低的电池是短板，电量高的是长板。被动均衡就是使电量高的电池中的能量变成热能耗散掉，也就是“截长不补短“。
2.损耗能量，降低效率，成本低
由于被动均衡电路的结构简单制作成本低，采用电阻耗能产生热量，从而会使整个系统的效率降低。
在被动均衡中，电能转变为热能，具体为P=I^2*R，即电流的平方乘以电阻。但电能转变为热能导致的耗散带来了两难的问题：
如果均衡电流大，热量就多，最后如何散热成为问题；
如果均衡电流小，那么在大容量电池组中、电量差别大的情况下所起到的电量平衡作用效率很低。
所以，被动均衡的电流一般都超不过mA。
一般来讲，被动均衡适合于小容量、低串数的锂电池组应用。
（三）主动均衡
1.截长补短
主动均衡又称非耗散式均衡，即将能量高的电芯内的能量转移到能量低的电芯中去，实现的是一种主动分配的效果。
主动均衡利用电容等储能元件来实现能量在电池单体间的转移，起到“截长补短“的目的，来实现均衡。
2.无损能量，效率高，成本也高
主动均衡采用能量传递分配的原则，因而能量利用率相比被动均衡更高。同时，主动均衡电流大，能量耗散少。
虽然主动均衡通过转移能量进行均衡，避免了能量的损耗和散热问题，但主动均衡电路设计较为复杂，影响因素较多，成本较高。
一般来讲，主动均衡适用于高串数、大容量的动力型锂电池组应用。
五、换电电池的均衡策略
以换电常用的60V20AH磷酸铁锂电池为例，其由20串3.2V20AH的电芯串联而成。由于单体电芯不一致性的存在，我们应根据单体电芯的电压和电芯之间的压差情况采取相应的均衡、维护和维修策略。具体如下：
（一）第一阶段：BMS的被动均衡
当单体电芯最高电压超过保护限值（比如3.68V）时，BMS启动保护，SOC校准为%；当电池总压超过总压过压保护限值3.65×串数时，SOC校准为%。
均衡开启的条件，一般是电芯电压到了快充满（充电末端），电芯的压
差大于设定值时。但我们启动被动均衡的条件肯定是单体电芯的电压不能超过3.6V，甚至不能超过3.5V，否则均衡时间和均衡效果都将大打折扣。
比如我们可以将均衡的启动条件设定为：单体电芯电压超过3.45V、电芯间压差超过50mv，此时即启动均衡，对超过此电压的单体进行电阻放电，同时以较小的电流（最大不超过mA）对电池组进行充电，以提高电池组的整体容量，起到均衡整组电池组的作用。
但被动均衡的缺点也是显而易见：
一是我们可以看到，这个电压最高、SOC最高的电芯本来就是劣化电芯，但被动均衡通过对其放电，反而又增加了实际的循环次数，可能导致此劣化电芯的进一步劣化。
二是将电压较高电芯的电能转变为热能，既损耗了能量，又导致了热量的产生，可能导致电池组温度升高，带来一定的安全隐患。
三是作为被动均衡放电的电阻，开关的选择至关重要：
如果开关是mos的话，则其非常容易受到静电的影响，因为mos是电压敏感型器件，其最高耐受电压不超过V，但人体接触的静电电压很容易达到上千伏将mos管击穿，从而产生通路对该电压较高的电芯一直放电，进而引起压差过大，比如超过1V，导致热失控的发生。
正是由于以上三个原因，不少BMS厂家（比如西安诺万电子）就没有对换电电池采取被动均衡。
如果开关是三极管的话，由于是电流敏感性器件，其最高耐受电流在60A左右，那么对于20AH的电芯，其最高电流一般也就是30A，所以相对比较安全。
（二）第二阶段：外部均衡
被动均衡的电流比较小（最大不超过mA），相对压差小的电池组来说，还是可以修复的。
但当电池组的电芯压差超过0.3V，靠BMS被动均衡效果就不明显了。
压差较大的情况下，可以使用均衡仪器对电池组进行均衡修复，均衡仪器的电流会大一些。先使用均衡仪器进行主动均衡修复，再加上BMS整组电池组进行充放电循环，让BMS的均衡功能再继续对电池组做均衡修复，这样的效果会好很多。
我们可以将外部均衡仪做的均衡称之为换电电池的维护。
其实，现在不少大型的电动汽车厂也在研究取消BMS均衡模块，转而将所有的均衡在外部进行。这就类似燃油车的保养，行驶里程达到一定数值后，去4S进行一次外部的均衡，这样整车BMS成本降低，而且对应的4S店也有收益，属于多方共赢，这个可能会成为一个趋势！
（二）第三阶段：电池维修
当电芯间压差较大，比如超过1V时，BMS和柜控应立即停止充电、放电和均衡。
这时应做的是防止换电电池的热失控，在确保安全的情况下将电池返厂维修，对问题电芯及时进行修复、替换等工作。
换电电池均衡事关重大，应根据电压和压差等实际因素，在确保安全的情况下，综合考虑性价比等，灵活采取BMS被动均衡、外部均衡器主动均衡和及时的电池维修等策略。
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