【电池管理】BMS主动均衡——储能系统的高效“平衡术”

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一、BMS 主动均衡是什么

BMS 主动均衡是通过能量转移的方式，将容量较高的单体电池中的能量转移到容量较低的单体电池中，从而实现电池组的一致性，提升储能系统性能。

BMS 主动均衡与被动均衡不同，被动均衡一般通过电阻放电的方式，将高电压的电池能量通过电阻放电以与低电压电池的电量保持相等状态，这种方式存在电能使用效率低、散热问题以及均衡电流小、见效慢等弊端。而主动均衡则是把高能量电池中的能量转移到低能量电池中，就像对木板 “截长补短”。

目前主动均衡的方案异彩纷呈，除了飞度电容的方案因适用串数低、转移有局限性而未能成为主流外，还有变压器的方案，以及半导体厂家设计的电池专用 DCDC 转换芯片推向市场。主动均衡带来的好处显而易见，效率高，能量被转移，损耗只是变压器线圈损耗，占比小；均衡电流可以设计的大，达到几安甚至 10A 级别，均衡见效快。

然而，主动均衡也带来了新的问题。首先是结构复杂，尤其是变压器方案，开关矩阵和驱动的设计控制都是难题，这也是为什么主动均衡功能无法完全集成进专用 IC 的原因。其次是成本问题，复杂的结构必然带来复杂的电路，成本与故障率上升是必然的，这也限制了主动均衡 BMS 的推广。

对 BMS 来讲，除了均衡功能非常重要，背后的均衡策略更为重要。在电池单体的一致性差异在一定范围内时，电池的电量和电压成正相关；但是当电池的一致性差的远，也就是有电池处于受损状态时，电量和电压相关性就没那么强了，这时的均衡依据就不能单以电压这一数据来判断。如果意识不到有电池损坏到临界状态以下，依然根据电压均衡，反而会对电池造成伤害，尤其是主动均衡，因其电流大造成的伤害会比被动均衡更大。

主动均衡适用于高串数、大容量的动力型锂电池组应用，被动均衡适合于小容量、低串数的锂电池组应用。像特斯拉的电池一致性非常好，用被动均衡就足够了，而我国从电池原材料到生产工艺还有待提高，电池一致性离散程度还比较大，主动均衡在动力型锂电池组应用中会更适合。

二、BMS 主动均衡在储能系统中的作用

（一）提升电池组整体性能

1.缓解电池组单体电池不一致造成的电量不均衡现象，提高电池组整体容量和功率性能。

在储能系统中，由于单体电池在制作过程中材质工艺的差异以及使用环境和老化程度的不同，单体电池之间的化学和电气特性存在一定差异，表现为容量、直流内阻、开路电压、荷电状态（SOC）等方面的不一致。这种不一致会导致电池组单体电池电量不均衡，影响电池组整体容量和功率性能。BMS 主动均衡通过能量转移的方式，将容量较高的单体电池中的能量转移到容量较低的单体电池中，从而缓解这种电量不均衡现象，提高电池组整体容量和功率性能。

例如，采用变压器在主动均衡中被广泛应用，通过底部均衡和顶部均衡策略来平衡电池组内的能量分布。还有基于电容、电感等储能元件或基于 DC-DC 变换器的均衡方式，这些非能耗型均衡方式主要通过电容、电感或者 DC-DC 变换器进行单体与单体或者单体与整组电池之间的能量转移，相比能耗型均衡结构复杂，但能量利用率高，能量转移灵活，能有效提升电池组整体性能。

2.通过检测电池组中各单体状态，利用均衡手段保持单体电池间的电压或者荷电状态在一定范围之内。

BMS 主动均衡系统通过持续监测每个电池单元的电压、电流和温度等关键参数，评估电池的工作状态。当检测到单体电池间的电压或者荷电状态出现差异时，启动均衡手段。例如，采用双向正激 DC-DC 变换器作为均衡主电路，当能量从高压侧传到低压侧时，四个开关管按照特定的驱动信号导通时序进行工作，实现能量从单体低压侧 U1 传到高压侧 U2 和从高压侧 U2 传到单体低压侧 U1 的双向能量传递，从而保持单体电池间的电压或者荷电状态在一定范围之内。

同时，单片机控制电路作为整个均衡系统的核心，通过 CAN 总线控制电压采集模块，采集电池模块内各单体电池电压，将电池信息汇总后用于制定均衡方案，利用开关阵列实现对需要均衡单体的选通，然后向均衡控制电路发出均衡指令，确保电池组中各个单体电池的状态处于合理范围内。

（二）延长电池组使用寿命

1. 抑制电池单体间一致性的出现，减少电池离散对电池组寿命的影响。

   
   

电池单体间的不一致性会随着使用时间的增加而逐渐积累，形成电池单体之间的电量不均衡，不仅影响电池组整体容量和功率性能，还会制约电池组的寿命。BMS 主动均衡通过能量转移的方式，使容量较高的单体电池中的能量转移到容量较低的单体电池中，从而抑制电池单体间一致性的出现。

例如，采用主动均衡技术可以避免因单体电池不一致而导致的部分电池过早老化。像深圳科列技术有限公司研发的带有 “主动均衡、无线传输” 核心技术功能的 BMS 产品，能够精准监测出各单体电池的能量，并主动实现能量在单体电池间的高效转移，达到使单体电池之间能量均衡的目的，显著提高电池的性能，抑制电池单体间一致性的出现，减少电池离散对电池组寿命的影响。

2.可提升电池系统可用容量，循环寿命提升明显。

BMS 主动均衡技术通过能量转移，有效消除了电池单体之间的容量不均衡问题，提高了整个电池组的性能。采用科列自主研发双向 DC-DC 主动均衡芯片，与传统均衡芯片相比，创新性的内嵌先进智能算法，以能量转移的方式对电池组产生的差异快速有效的补偿，确保电池一致性，延长电池组的使用寿命和平均无故障时间，有效提升了产品全生命周期的经济效益。经长期循环测试数据表明，该主动均衡技术可提升电池系统可用容量 10% 以上，循环寿命提升 20% 以上，串联数量越多，提升效果越明显。

三、BMS 主动均衡的工作原理

（一）均衡系统构成

BMS 主动均衡系统主要由串联电池模块、12V 蓄电池组、开关阵列、均衡主电路、电压采集电路和单片机控制电路组成。

1.开关阵列：

开关阵列由电池单体选通开关和电池极性选通开关组成，能够实现对需要均衡单体的选通。例如，对于 7 节电池串联电池组，有特定的开关组合来选通不同的电池。以电池 1 和电池 2 的选通为例，当选通电池 1 时，开关 K1、K2、KP3 和 KP4 开通，其他开关关断，形成特定的充放电回路；当选通电池 2 时，开关 K2、K3、KP1 和 KP2 开通，其他开关关断，同样形成对应的充放电回路。奇数单体选通可参考电池 1 的选通开关组合，偶数单体选通可参考电池 2 的选通开关组合。

2.均衡主电路：

采用双向正激 DC-DC 变换器，实现能量的双向传递。该拓扑主要包含一个变压器 T、两个采样电阻 R1 和 R2、两个滤波电容 C1 和 C2、一个箝位电容 C3、一个滤波电感 L 以及 4 个开关管 Q1~Q4。

（二）工作模式

1. 能量从单体低压侧传到高压侧。

   
   

2.能量从高压侧传到单体低压侧，分为四个阶段，通过开关管的导通和关断实现能量的转移和释放：

阶段一：时刻 t1~t2 阶段，开关管 Q2 和 Q3 导通，此时输入电流 I1 流入变压器高压侧绕组的同名端，输出电流 I2 流出变压器低压侧绕组的同名端。高压侧 U2 同时给低压侧 U1 和电感 L 传递能量。

阶段二：时刻 t2~t3 阶段，开关管 Q2 和 Q3 关断，I2 由开关管 Q1、Q2 的体二极管续流，IT2 逐渐减小，IQ1 逐渐增大，电感 L 储存的能量和低压侧绕组的剩磁能量向低压侧释放。

阶段三：时刻 t3~t4 阶段，开关管 Q1 开通，I2 由开关管 Q1 续流，电感 L 储存的能量向低压侧 U1 释放。

阶段四：时刻 t4~t5 阶段，开关管 Q1 关断，I2 由开关管 Q1 的体二极管续流，电感 L 储存的能量继续向低压侧 U1 释放。其中，阶段二和阶段四都是死区阶段，为了防止在 Q2 和 Q3 导通的情况下，Q1 导通会将低压侧绕组短路。开关管 Q4 与箝位电容 C3 串联在一起，并联在开关管 Q3 两端是为了进行有源箝位，实现变压器磁复位。

四、BMS 主动均衡在储能系统中的应用现状

（一）市场参与企业

当前，BMS 主动均衡在储能系统中的市场参与企业主要有整车厂商、动力锂电池厂商、独立的 BMS 生产商三类。

整车厂商生产的 BMS 装机量约占总量的 21.3%，动力锂电池厂生产的 BMS 装机量约占 45.4%，专业的 BMS 厂商约占据 33.3% 的份额。整车厂和电池厂虽然仍占有重要地位，但在技术提升和专业化分工趋势下，专业的 BMS 厂商正强势崛起，已经在商用车领域成为主导，并有望在储能领域大显身手。

例如，宁德时代与比亚迪在动力锂电池领域占据重要市场份额，同时也在储能 BMS 市场中有一定影响力。通用、特斯拉、比亚迪、华霆动力等车厂，以及比亚迪、三星、宁德时代、欣旺达、德赛电池、拓邦股份、北京普莱德等电池厂，都在积极参与储能 BMS 市场。此外，还有像杭州高特电子、协能科技、科工电子等专业 BMS 制造商，也在储能 BMS 领域不断开拓。

（二）存在的问题

1.我国储能 BMS 起步较晚，标准尚不完善，控制策略没有统一标准。虽然已有了框架性标准，但各家对高压箱的要求不一样，储能线束也不统一，这导致了储能系统安装调试成本高、故障多、运维难。国家有关部门正在制定产业相关标准，有望进一步规范 BMS 行业，保障电池的安全性和使用寿命，同时通过标准化、规模化降低储能系统成本。

2.主动均衡技术的可靠性仍需进一步提升，成本有待继续降低。目前，主动均衡方式结构复杂，成本高出被动均衡很多。例如，采用变压器进行 DC-DC 充放电的主动均衡常见方法，其结构复杂，开关矩阵和驱动的设计控制都是难题，这也限制了主动均衡功能完全集成进专用 IC。而且复杂的结构必然带来复杂的电路，成本与故障率上升是必然的，这也限制了主动均衡 BMS 的推广。

3.储能 BMS 算法刚起步，估算进度、算法的收敛性和鲁棒性都还有提升空间。尤其是电池预警算法在储能系统中非常重要，但在我国几乎还是行业空白。整体而言，储能领域 BMS 行业整体水平不高，BMS 生产企业纷杂，产品质量良莠不齐，部分企业对储能系统理解不够。这导致在整个储能系统的部件故障排名中，BMS 总是居前。

五、BMS 主动均衡在储能系统中的发展趋势

（一）主动均衡技术成为未来趋势

随着储能系统对性能要求的不断提高，主动均衡技术的优势愈发凸显。其能够有效提升电池组的一致性，进而提高储能系统的整体性能。在实际应用中，主动均衡技术可以像对木板 “截长补短” 一样，将高能量电池中的能量转移到低能量电池中，实现电池组的能量平衡。这种技术不仅效率高，损耗小，而且均衡电流大，见效快。因此，主动均衡技术必将在储能电池管理系统中得到更广泛的应用，成为未来的发展趋势。

（二）关键元器件国产化

国内 BMS 行业的发展需要注重关键元器件的国产化。目前，我国储能 BMS 起步较晚，关键元器件依赖进口，这不仅增加了成本，还可能面临供应不稳定的风险。提高自主研发能力，实现关键元器件国产化，对于提升我国 BMS 行业的竞争力至关重要。例如，中金公司发布的研究报告指出，电池管理芯片国产化率提升空间大，本土厂商迎来较大商业机会。随着国内下游市场空间的成长及下游本土厂商份额的提升，本土电池管理芯片厂商有望迎来新机遇。

（三）产品集成度提高

未来，电池状态算法和云端大数据的结合将成为主流，人工智能算法也将在 BMS 中得到广泛应用。这将提高系统的可靠性和安全性。例如，西安星源博锐新能源技术有限公司申请的 “储能变流器以及储能系统” 专利，通过简化设计，减少了系统的复杂性和组件数量，显著降低了设计成本和集成难度。同时，控制单元的设计使得设备能够智能调配电源，提高了储能系统的运行效率。随着技术的不断进步，BMS 的产品集成度将不断提高，为储能系统的发展提供更强大的支持。

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