DQZHAN技術(shù)訊：鋰電池組無損均衡繼電器應(yīng)用探討
前言：以目前已有應(yīng)用的某種17串鋰電池組，標(biāo)稱電壓60V，多用于二輪電動(dòng)車。在該電池組內(nèi)增配一只體積小巧的連續(xù)旋轉(zhuǎn)繼電器，BMS板重新編程一個(gè)繼電器電機(jī)啟動(dòng)指令，則上乘地達(dá)到了該種電池的均衡目標(biāo)。具體地，建議電池充電時(shí)始終均衡，則充電量達(dá)*大值；
電容法均衡繼電器采用連續(xù)旋轉(zhuǎn)方式工作，輔電池法均衡繼電器采用正反轉(zhuǎn)定位方式工作。
電池化時(shí)代即將到來。無論是新能源車業(yè)，還是分布式儲(chǔ)能業(yè)，電池的使用量已呈現(xiàn)爆炸式擴(kuò)張。由于單體電池的電壓較低，各應(yīng)用場合都需要將電池級(jí)聯(lián)來提升總電壓，但電池單體的性能差異性，電池組在使用過程中不可避免的出現(xiàn)各級(jí)聯(lián)電壓出現(xiàn)偏差，均衡概念隨之應(yīng)用而生。
電池組均衡屬于BMS（電池管理系統(tǒng)）的管理策略之一，出于成本的考慮，雖然現(xiàn)有的均衡方案已有多類，但應(yīng)用案例中多采用*簡的有損放電法，且效率不高。目前的均衡方案大多以電池組中單體電池一致性非常高為前提，考慮未來二次電池的梯次利用，有必要設(shè)計(jì)更佳更簡更有效的均衡方案及策略。
縱觀當(dāng)前的均衡方案，電阻放電法方法*簡，缺點(diǎn)是效率低，屬于有損均衡；電感、變壓器、升降壓等方案電路復(fù)雜、成本高；一種電磁繼電器組加電容方案（見圖1），其優(yōu)點(diǎn)是成本低，電路簡單，屬無損均衡，缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)換頻率低，電觸點(diǎn)熔粘時(shí)有短路風(fēng)險(xiǎn)。
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圖1中，假設(shè)執(zhí)行均衡指令，5個(gè)單體電池中電壓*高的電池對應(yīng)的繼電器先吸合，電容充電；斷開繼電器，再選取電壓*低的電池對應(yīng)的繼電器吸合，電容放電，繼電器斷開，完成一個(gè)均衡循環(huán)。眾所周知，電磁繼電器不適用于頻繁切換場合，因此圖1的理論均衡效
率將是非常低下的。如果將電磁繼電器更改為電子開關(guān)，由于電池間電壓差較小，電子開關(guān)本身有一定的電壓降，采用單純的電子開關(guān)加電容策略時(shí)將幾乎沒有均衡效果發(fā)生。針對電磁繼電器切換頻率較低的特性，可行的方案是將電容更改為后備輔電池，并增加升降壓電路，
利用后備輔電池較大的電容量來對相關(guān)電池單體進(jìn)行較長時(shí)間的充電或放電。后備輔電池概念的誕生，使二次電池梯次利用時(shí)的深度均衡得到可能，相關(guān)技術(shù)方案在發(fā)明磚利申請（2018107804736）中有詳細(xì)表述，此處不談。
回到圖1的觀察，假設(shè)J1至J5繼電器能夠工作在較高的切換頻率，且不會(huì)發(fā)生觸點(diǎn)粘結(jié)的短路故障，那么圖1電路將達(dá)到一個(gè)很好的均衡效果。將圖1電路變形，如圖2所示：
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比較圖1、圖2可知，圖1中5只繼電器組成的繼電器組在圖2中變成了只有一組動(dòng)觸點(diǎn)、五組靜觸點(diǎn)的某種元器件。假設(shè)五組靜觸點(diǎn)布設(shè)于某一個(gè)圓盤片上，一組動(dòng)觸點(diǎn)由旋轉(zhuǎn)臂驅(qū)動(dòng)，動(dòng)力源為電機(jī)，則圖1的均衡電路具有了切換速度快，不怕級(jí)間短路的高效率均衡方案。
由此誕生一種全新的繼電器種類，可命名為旋轉(zhuǎn)繼電器，其特別適用于電池組均衡應(yīng)用。一只旋轉(zhuǎn)繼電器可替代多只單獨(dú)的電磁繼電器，成本上也將大大降低。且旋轉(zhuǎn)繼電器只有一個(gè)電機(jī)旋轉(zhuǎn)指令，自主均衡，相較電磁繼電器組具有所需開關(guān)點(diǎn)少、均衡期間無需頻繁采樣電池電壓等優(yōu)點(diǎn)，真正達(dá)到了電路*簡化、運(yùn)算*簡化的均衡策略目標(biāo)。
當(dāng)電池組各單體電池一致性較好，電壓差較小時(shí)，可采用繼電器加電容方案來進(jìn)行均衡策略；當(dāng)電池組一致性較差時(shí)，則應(yīng)采用繼電器加后備輔電池方案（也可配置升降壓電路）來進(jìn)行均衡。電容均衡法，均衡電流小，則單一旋轉(zhuǎn)繼電器內(nèi)部可集成多達(dá)20組以上靜觸點(diǎn)，且單體體積小巧。后備電池均衡法，均衡電流較大，則單一旋轉(zhuǎn)繼電器內(nèi)部靜觸點(diǎn)組數(shù)較少為宜，以汽車電源為案例，靜觸點(diǎn)組數(shù)設(shè)置為4組時(shí)，可發(fā)揮有效配置。
電容法均衡繼電器采用連續(xù)旋轉(zhuǎn)方式工作，輔電池法均衡繼電器采用正反轉(zhuǎn)定位方式工作。
以特斯拉某型汽車電池為例，其單體電池總數(shù)量7104節(jié)，單級(jí)74并，則級(jí)聯(lián)串?dāng)?shù)為96串，按電容法均衡方案，每繼電器可均衡204/8串電池串，則*低只需5只連續(xù)旋轉(zhuǎn)繼電器即可完成均衡工作。此處的均衡指每繼電器對應(yīng)電池串之間，按此計(jì)算，96串電池*多會(huì)有5個(gè)不同電壓值出現(xiàn)。
理論上來說，也可以設(shè)計(jì)一種觸點(diǎn)數(shù)較少，過電流能力較強(qiáng)的連續(xù)旋轉(zhuǎn)繼電器額外配置來消除所述的5個(gè)不同電壓值，但不建議這樣設(shè)計(jì)。特別的，汽車電池在某些串組出現(xiàn)隱患時(shí)，對行駛**有極害處。
因此，在電容均衡法的基礎(chǔ)上，增加配置后備輔電池均衡方案，是汽車電池**使用的的一種可靠手段。仍以上述特斯拉電池為例，在96串的基礎(chǔ)上，總電池組細(xì)分為16小組（串聯(lián)），每小組6個(gè)包（串聯(lián)）。
我們以16組為準(zhǔn)，每四組對應(yīng)接入一只四通道正反轉(zhuǎn)定位繼電器，則需4只定位繼電器，此4只定位繼電器再級(jí)聯(lián)一只負(fù)載能力更強(qiáng)的四通道定位繼電器，然后引出一付均衡接點(diǎn)到電池箱外部，例如以一個(gè)二芯插座體現(xiàn)在電池箱表面。額外地，當(dāng)我們將一只容量較大的后備電池（含升或降壓電路）插頭插入均衡插座時(shí)，16組電池中哪組電池電壓偏低，5只定位繼電器組合（4+1）選中其，后備電池電路工作時(shí)，則向其供給可調(diào)節(jié)的電能量。
按此可知，大容量的后備電池，不僅起到了均衡作用，也可以起到增程作用，還能在木桶效應(yīng)觸發(fā)時(shí)由后備電池代替短板，保障汽車**行駛。
因此，上述兩類旋轉(zhuǎn)繼電器的實(shí)際應(yīng)用，將對當(dāng)前的均衡方案起到積極有效的前瞻作用。兩類旋轉(zhuǎn)繼電器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，共同點(diǎn)是都以盤片式靜觸點(diǎn)組加旋轉(zhuǎn)臂式動(dòng)觸點(diǎn)組相結(jié)合，不同點(diǎn)是按觸點(diǎn)容量大小來設(shè)計(jì)觸點(diǎn)面積和組數(shù)，以及按均衡方式來確定是連續(xù)旋轉(zhuǎn)還是正反轉(zhuǎn)定位。以下以兩個(gè)實(shí)例來論述。
例如以目前已有應(yīng)用的某種17串鋰電池組，標(biāo)稱電壓60V，多用于二輪電動(dòng)車。在該電池組內(nèi)增配一只體積小巧的連續(xù)旋轉(zhuǎn)繼電器，BMS板重新編程一個(gè)繼電器電機(jī)啟動(dòng)指令，則上乘地達(dá)到了該種電池的均衡目標(biāo)。具體地，建議電池充電時(shí)始終均衡，則充電量達(dá)*大值；
電池騎行放電中，各電池串電壓差超設(shè)計(jì)值時(shí)，均衡若干時(shí)間再停止，重新監(jiān)測電壓差，以決定是否再次均衡。其繼電器盤片和旋轉(zhuǎn)臂設(shè)計(jì)見圖3。
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在繼電器盤片正面布設(shè)四圈導(dǎo)電環(huán)道，內(nèi)兩圈為連續(xù)滑觸線，滑觸線在盤片背面引出導(dǎo)線，連接一只高容高阻低漏電的電容器；外兩圈為等分的17組滑觸點(diǎn)，盤片背面，**組滑觸點(diǎn)（紅、藍(lán)色塊所示）的負(fù)端（藍(lán)塊）與**組正端短接，按序操作，直至第17組負(fù)端終止。每組正端引出導(dǎo)線，加第17組負(fù)端，共計(jì)18根導(dǎo)線，與電池組18個(gè)節(jié)點(diǎn)按序連通。當(dāng)圖3示右邊的旋轉(zhuǎn)臂連續(xù)旋轉(zhuǎn)時(shí)，電容器將與電池組每個(gè)單體電池循環(huán)并聯(lián)，電容不斷充放電，*終使電池組各單體電池電壓趨于一致。
該17通道連續(xù)旋轉(zhuǎn)繼電器也適用于串級(jí)數(shù)少于17的電池組，適用對象是單體電池一致性較好的全新電池組。若應(yīng)用于二次電池，均衡電流不可控將可能使觸點(diǎn)燒蝕氧化，失去均衡效果。特別地，為防止某些觸點(diǎn)失效，同一組電池可以連接兩只繼電器，分時(shí)運(yùn)行。兩只繼電器在同一組號(hào)上觸點(diǎn)同時(shí)失效的概率極低，因此能達(dá)到充分的自主均衡。
正反轉(zhuǎn)定位繼電器的實(shí)例設(shè)計(jì)目標(biāo)是大電流均衡，通常含增程（補(bǔ)容）作用，均衡元件是后備輔電池。應(yīng)用于汽車電池組時(shí)，可行的設(shè)計(jì)方案是配置4組切換觸點(diǎn)。當(dāng)后備輔電池始終接入主電池組時(shí)，以均衡目標(biāo)為主，則輔電池可以不配置升降壓電路；當(dāng)后備電池經(jīng)常離線更換，單獨(dú)充電，用于增程目的時(shí)，則輔電池需標(biāo)配升壓或降壓電路。
4通道型定位繼電器的觸點(diǎn)設(shè)計(jì)面積大，且旋臂兩只動(dòng)觸點(diǎn)設(shè)計(jì)在旋轉(zhuǎn)中心兩邊，以平衡兩付動(dòng)、靜觸點(diǎn)接合力。為減少接觸電阻，定位繼電器取消連續(xù)旋轉(zhuǎn)繼電器中的滑觸線概念，用柔性導(dǎo)線方法來應(yīng)對臂的旋轉(zhuǎn)角差。其繼電器盤片和旋轉(zhuǎn)臂設(shè)計(jì)見圖4。
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圖4中，在盤片正面布設(shè)兩圈導(dǎo)電環(huán)道，導(dǎo)電環(huán)切分為等隔的四組滑觸點(diǎn)，內(nèi)圈的厚短，外圈的細(xì)長，**組觸點(diǎn)（紅、藍(lán)色塊）外圈的標(biāo)記為A1+，內(nèi)圈標(biāo)記A3-，按序標(biāo)記。然后在盤片背面將A1-與A2+短接、A2-與A3+短接、A3-與A4+短接、A4-引出導(dǎo)線5，再加上圖示1、2、3、4號(hào)導(dǎo)線，共5線，可連接電池組中四串電壓等級(jí)相同的電池包（包指單串或多串組合）。
定位繼電器的旋臂上每個(gè)動(dòng)觸點(diǎn)設(shè)計(jì)由多個(gè)彈片組合而成，以確保過流能力。輔電池接入端直接由旋臂引出，引出導(dǎo)線彎折斷裂風(fēng)險(xiǎn)由兩個(gè)措施來消除，一為旋臂只在325度范圍內(nèi)來回旋轉(zhuǎn)，二是采用柔性導(dǎo)線在旋臂層盤旋一至二圈來消弱導(dǎo)線彎曲作用力。
定位繼電器因需要**定位，因此相較連續(xù)旋轉(zhuǎn)繼電器需多出角度檢測或位置檢測等元件及電路。仍以汽車電池應(yīng)用4通道定位繼電器為例，在主電池組內(nèi)配置大4小共計(jì)5只四通道定位繼電器，1+4模式二級(jí)級(jí)聯(lián)，則目標(biāo)電池串?dāng)?shù)*大為16。將目標(biāo)電池組的總串?dāng)?shù)以整數(shù)方式分解為小于等于16的份數(shù)，每份數(shù)電壓等級(jí)相同。假設(shè)為16等份，每份電壓24V時(shí)，電池組總電壓可達(dá)384V，每份電壓為48V時(shí)，電池組總電壓可達(dá)768V，此兩個(gè)電池組電壓等級(jí)基本涵蓋了電動(dòng)小汽車至電動(dòng)大巴的應(yīng)用。
因此，據(jù)此設(shè)計(jì)，在電池組箱體上設(shè)置二芯均衡（增程）接口，外接一個(gè)容量可選的24V或48V后備輔電池，既做到了對主電池組的部分均衡目標(biāo)（電池包間均衡），也起到了應(yīng)急和增程的效果。以上兩個(gè)應(yīng)用實(shí)例以車載電池使用來論述，車載的要**元器件小而精巧，當(dāng)應(yīng)用環(huán)境轉(zhuǎn)移到儲(chǔ)能環(huán)境而言，上述兩種類的旋轉(zhuǎn)繼電器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)允許有較大的更改，以適應(yīng)儲(chǔ)能環(huán)境的具體要求。
二種類旋轉(zhuǎn)繼電器的混合應(yīng)用或單獨(dú)應(yīng)用，在全新電池或梯次利用電池的多樣化使用中，都將發(fā)揮其高效的均衡作用。并且，隨著技術(shù)的進(jìn)步，均衡概念必將淡化，特別是輔電池方案的提出，電池組的**應(yīng)用，未來的目標(biāo)是能量流可控調(diào)節(jié)。
