主动均衡or被动均衡？BMS均衡技术发展之选

关键词：BMS 电池管理系统 锂离子电池 均衡

随着工业与科技的高速发展，全球能源和环境系统正面临着巨大的挑战，汽车作为石油消耗和二氧化碳排放的大户，需要进行革命性的变革。目前，发展新能源汽车已经在世界范围内形成了共识，新能源汽车也将是未来汽车发展的主要方向。但是，全球新能源汽车的发展还面临着一些难题，例如关键技术的突破、汽车工业的转型等。

随着电池技术的发展，锂离子动力电池以其能量密度高、功率特性好、寿命长等良好性能成为新一代电动汽车的理想动力源。为了满足电动汽车的能量和功率需求，往往是由单体电池通过串并联形成动力电池组供车辆使用，但由于电池性能不一致的问题（电池的不一致性包括在制造过程中，由于工艺的问题和材质的不均匀，使电池极板厚度、微孔率、活性物质的活化程度等存在微小差别，这种电池内部结构和材质的不完全一致性，就会使同一批次出厂的同一型号电池的容量、内阻和电压等参数值可能不完全一致；或者由于装车使用时，由于电池组中各个电池的温度。通风条件、自放电程度、电解液密度等差别的影响，在一定程度上增加了电池电压、内阻及容量等参数的不一致等等原因），使得成组电池在利用率、使用寿命、安全性等方面的性能远不及单体电池。但在使用了具有高效均衡管理功能的电池管理系统后，就能够大幅提高动力电池组的整体性能、有效的延长电池组的使用寿命、大大降低整车的使用和维护成本，为安全、高效、实用的电动汽车的推广提供技术保障。

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。均衡之于动力锂电池组的重要性可想而知，均衡的分类包括主动均衡和被动均衡，主动均衡和被动均衡一直是电动汽车BMS业界研究和讨论的热点。

基于行业对BMS均衡技术发展的需要，知行者数据库将对BMS均衡技术的发展趋势、主动均衡技术发展趋势、被动均衡技术发展趋势和均衡技术研究代表企业四个视角出发，对BMS均衡技术的发展进行初步剖析。

一、BMS均衡技术整体发展趋势

这里我们采用知行者数据库，检索到每年全世界新能源汽车BMS领域申请的专利数量的具体变化情况，具体如下图：

由图可知，全球对BMS均衡技术的研究在2009年之前的研究十分有限，出现在1996到1998年之间有一个小的高峰，也是由于几个大的飞机制造公司，如洛克希德公司和BAE系统公司在研究关于电池运用在飞机上时才申请的。1998年之后每年的申请量一般在10件以下，到2007年时申请量开始出现快速增长，不过真正地快速增长期是到2009年以后才开始的，并在2011年申请量呈现一个比较稳定的趋势。我们通过检索发现近几年这个领域的发明人数量也一直在上升，说明到目前均衡技术都处在发展期。2007到2011年专利申请量骤增的原因是，这个时候技术门槛比较低，各方涌入都这个领域进行研究，到2011年后发明人数量仍持续增加，而专利申请量趋于稳定，说明这个已经过了技术发展初期，此时基础技术研究仍在研究，但是关键技术掌握在少数几个企业。

我们都知道均衡分为主动均衡和被动均衡，由于技术和成本的综合问题，目前国内主要使用的是被动均衡，但是有专家预测，随着技术突破，主动均衡成本的下降，未来主动均衡将是BMS均衡发展的主流趋势。现在我们分别对主、被动均衡专利趋势进行分析，对目前国内的研究者们或企业在均衡领域的研究趋势进行剖析。

二、主动均衡专利研究趋势

主动均衡是对电池组在充电、放电或者放置过程中，电池单体之间产生的容量或电压差异性进行均衡，来消除电池内部产生的各种不一致性。而在这一过程中，涉及到能量的转移，能量转移一般有两种方法，一种是将能量高的单体电池能量均衡到能量低的电池，另一种是将电压（容量）高的单体电池的能量转移给一个备用电池，再由备用电池转移到其它电压（容量）较低的电池。

主动均衡的特点：

1、采用DC/DC双向有源均衡电路均衡效率高。

2、充电、放电和静态过程中都做均衡。

3、平衡电流大，均衡速度较快。

主动均衡的问题：

1、技术复杂，成本高，实现困难。

2、因须频繁切换均衡电路，对电池造成的伤害大，影响电池的寿命。

为了让文章更加直接明了，这里笔者没有去对上节有关均衡的专利进行逐一区分，而是用精确检索，来检索出包含主动均衡（检索词包括主动均衡、主动式均衡、单向均衡、双向均衡、飞度电容、飞渡电容等）和被动均衡（检索词包括被动均衡、被动式均衡、有损均衡、耗能均衡等）专利，以下为国内有关主动均衡专利的申请量。

由于检索方式的原因，上图所示专利数量并不是准确的国内有关主动均衡所有的专利数量，但是上图仍反映了国内关于主动均衡的专利申请数量呈现一个较快的增长趋势，这也说明我国企业对主动均衡技术的重视。锂离子电池在2009年开始得到全球主要国家纷纷认可，并开始应用于新能源汽车领域，国内在2010年及以后专利申请中才开始涉及到主动均衡这一名词也是由于这一原因。

三、被动均衡专利研究趋势

在传统能耗型BMS系统中，均衡方式主要以被动均衡为主，采用单体电池并联分流能耗电阻的方式，且只能在充电过程中做均衡工作。其工作原理是通过对电压的采集，发现串联单体电池之间的差异，以设定好的充电电压的“上限阈值电压”为基准，任何一只单体电池只要在充电时最先达到“上限阈值电压”并检测出与相邻组内电池差异时，即对电池组内单体电压最高的那只电池，通过并联在单体电池的能耗电阻进行放电电流，以此类推，一直到电压最低的那只单体电池到达“上限阈值电压”为一个平衡周期。下表为笔者检索到的被动均衡每年专利的申请量。

被动均衡的特点：

1、电路简单，成本低廉

2、只有充电过程中做均衡。

被动均衡的问题：

1、电能使用效率低

2、因电路简单，使得均衡作用效率不高

表1 被动均衡每年专利申请量

由上表可知，近几年关于被动均衡的专利申请数量较少，仅为上节主动均衡专利申请量的三分之一。从数量上来看，关于被动均衡的专利申请每年也就几件，而且并没有明显的上升趋势，因此可以认为这一领域并没有太大研究价值或者这一领域有很强的技术壁垒，当然从现实情况来看，后者情况是完全可以否定的。

除此之外，可以发现，被动均衡这个名词的出现是在2010年，笔者通过知网检索发现主动均衡从2008年才开始出现，可以认为BMS的主、被动均衡的专利研究是在大概2010年开始的。通过知网还发现，检索被动均衡返回结果只有寥寥几条记录，从侧面也反映了被动均衡不是各研究者的研究重点。

四、均衡技术研究代表企业

惠州市亿能电子有限公司是德赛集团旗下专业从事电池管理系统（BMS）研究和销售的企业，也是在国内申请有关均衡专利最多的机构，以下我们将主要介绍亿能电子关于均衡技术的专利布局。下表为亿能电子有关动力电池BMS每年的均衡技术专利申请量。

表2 亿能电子有关均衡专利每年的申请量

亿能电子到目前止，申请了41件有关均衡的专利，其中实用新型21件、发明申请18件和WIPO2件。其中发明申请最多的年份是在2010年和2013年，分别达到7件和8件，说明早在2010年亿能电子就已将很重视均衡技术的研究与开发。

另外，在均衡技术专利申请方面，从2010年开始到2013年亿能电子保持每年大概10件的专利申请量，这个时间点与之前讨论的关于主、被动均衡技术专利开始被申请的时间是相当吻合的。2014年（2015年没有参考性，因为专利申请到公开可能都要经历一到两年的时间）专利申请量骤减，主要是由于互为合作关系的亿能电子在均衡领域的核心技术人员刘飞、阮旭松和文锋申请量的骤减而造成的，此三人大多时候互为合作关系，其中刘飞和阮旭松的专利《动力电池组充放电均衡控制方法》在第十五届中国专利奖评选活动中获得中国专利优秀奖。

再从专利布局来看（图3），笔者分析了亿能电子申请的41件有关动力电池BMS均衡技术的专利，其中有关主动均衡的专利是16件，其次为有关被动均衡的9件，其余的总共16件。

因此，可以认为亿能电子看重未来均衡技术的发展趋势，已开始布局主动均衡这亿未来可能成为主流的均衡方法，以此在未来BMS市场占据绝对的技术优势。被动均衡虽然有不少不足，但目前由于其电路简单、造价便宜等因素，仍是国内主要使用的均衡技术，亿能电子也相应的在这一方面进行了不少的专利布局。而由于部分关于充放电的均衡无法确定是属于主动均衡还是被动均衡，笔者在这里就简单把它们归类在充放电均衡。均衡的验证与测试方法主要涉及到的是关于均衡电路和均衡状态等的验证或测试方法。最后一部分是关于均衡物理配件的结构布局的，这也是亿能电子的一个研究方向。

五、结语

虽然主动均衡在效率和均衡速度优于被动均衡，但是由于其技术的不成熟和造价昂贵等因素，目前仍没有被广泛应用于实践当中。相反，虽然被动均衡在效率和均衡速度等方面不及主动均衡，但由于稳定、实现简单和造价便宜等因素，一直是国内厂商主要使用的均衡技术。考虑到未来主动均衡的可能市场趋势，目前主动均衡仍是各企业和研究机构的主要研究方向。

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