鉅大LARGE | 點擊量：1156次 | 2021年04月14日
鋰離子電池組無損均衡繼電器應用探討
電池化時代即將到來。無論是新能源車業，還是分布式儲能業，電池的使用量已呈現爆炸式擴張。由于單體電池的電壓較低，各應用場合都要將電池級聯來提升總電壓，但電池單體的性能差異性，電池組在使用過程中不可防止的出現各級聯電壓出現偏差，均衡概念隨之應用而生。
電池組均衡屬于BMS（電池管理系統）的管理策略之一，出于成本的考慮，雖然現有的均衡方法已有多類，但應用案例中多采用最簡的有損放電法，且效率不高。目前的均衡方法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，有必要設計更佳更簡更加有效的均衡方法及策略。
縱觀當前的均衡方法，電阻放電法方法最簡，缺點是效率低，屬于有損均衡；電感、變壓器、升降壓等方法電路復雜、成本高；一種電磁繼電器組加電容方法（見圖1），其優點是成本低，電路簡單，屬無損均衡，缺點是轉換頻率低，電觸點熔粘時有短路風險。
圖1中，假設執行均衡指令，5個單體電池中電壓最高的電池對應的繼電器先吸合，電容充電；斷開繼電器，再選取電壓最低的電池對應的繼電器吸合，電容放電，繼電器斷開，完成一個均衡循環。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。假如將電磁繼電器更改為電子開關，由于電池間電壓差較小，電子開關本身有一定的電壓降，采用單純的電子開關加電容策略時將幾乎沒有均衡效果發生。針對電磁繼電器切換頻率較低的特性，可行的方法是將電容更改為后備輔電池，并新增升降壓電路，
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
利用后備輔電池較大的電容量來對相關電池單體進行較長時間的充電或放電。后備輔電池概念的誕生，使二次電池梯次利用時的深度均衡得到可能，相關技術方法在發明專利申請（2018107804736）中有詳細表述，此處不談。
回到圖1的觀察，假設J1至J5繼電器能夠工作在較高的切換頻率，且不會發生觸點粘結的短路故障，那么圖1電路將達到一個很好的均衡效果。將圖1電路變形，如圖2所示：
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觸點、五組靜觸點的某種元器件。假設五組靜觸點布設于某一個圓盤片上，一組動觸點由旋轉臂驅動，動力源為電機，則圖1的均衡電路具有了切換速度快，不怕級間短路的高效率均衡方法。
由此誕生一種全新的繼電器種類，可命名為旋轉繼電器，其特別適用于電池組均衡應用。一只旋轉繼電器可替代多只單獨的電磁繼電器，成本上也將大大降低。且旋轉繼電器只有一個電機旋轉指令，自主均衡，相較電磁繼電器組具有所需開關點少、均衡期間無需頻繁采樣電池電壓等優點，真正達到了電路最簡化、運算最簡化的均衡策略目標。
當電池組各單體電池一致性較好，電壓差較小時，可采用繼電器加電容方法來進行均衡策略；當電池組一致性較差時，則應采用繼電器加后備輔電池方法（也可配置升降壓電路）來進行均衡。電容均衡法，均衡電流小，則單一旋轉繼電器內部可集成多達20組以上靜觸點，且單體體積小巧。后備電池均衡法，均衡電流較大，則單一旋轉繼電器內部靜觸點組數較少為宜，以汽車電源為案例，靜觸點組數設置為4組時，可發揮有效配置。
電容法均衡繼電器采用持續旋轉方式工作，輔電池法均衡繼電器采用正反轉定位方式工作。
以特斯拉某型汽車電池為例，其單體電池總數量7104節，單級74并，則級聯串數為96串，按電容法均衡方法，每繼電器可均衡204/8串電池串，則最低只需5只持續旋轉繼電器即可完成均衡工作。此處的均衡指每繼電器對應電池串之間，按此計算，96串電池最多會有5個不同電壓值出現。
理論上來說，也可以設計一種觸點數較少，過電流能力較強的持續旋轉繼電器額外配置來消除所述的5個不同電壓值，但不建議這樣設計。特別的，汽車電池在某些串組出現隱患時，對行駛安全有極害處。
因此，在電容均衡法的基礎上，新增配置后備輔電池均衡方法，是汽車電池安全使用的的一種可靠手段。仍以上述特斯拉電池為例，在96串的基礎上，總電池組細分為16小組（串聯），每小組6個包（串聯）。
我們以16組為準，每四組對應接入一只四通道正反轉定位繼電器，則需4只定位繼電器，此4只定位繼電器再級聯一只負載能力更強的四通道定位繼電器，然后引出一付均衡接點到電池箱外部，例如以一個二芯插座體現在電池箱表面。額外地，當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，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，則向其供給可調節的電能量。
按此可知，大容量的后備電池，不僅起到了均衡用途，也可以起到增程用途，還能在木桶效應觸發時由后備電池代替短板，保障汽車安全行駛。
因此，上述兩類旋轉繼電器的實際應用，將對當前的均衡方法起到積極有效的前瞻用途。兩類旋轉繼電器的結構設計，共同點是都以盤片式靜觸點組加旋轉臂式動觸點組相結合，不同點是按觸點容量大小來設計觸點面積和組數，以及按均衡方式來確定是持續旋轉還是正反轉定位。以下以兩個實例來論述。
例如以目前已有應用的某種17串鋰離子電池組，標稱電壓60V，多用于二輪電動汽車。在該電池組內增配一只體積小巧的持續旋轉繼電器，BMS板重新編程一個繼電器電機啟動指令，則完美地達到了該種電池的均衡目標。具體地，建議電池充電時始終均衡，則充電量達最大值；
電池騎行放電中，各電池串電壓差超設計值時，均衡若干時間再停止，重新監測電壓差，以決定是否再次均衡。其繼電器盤片和旋轉臂設計見圖3。
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在繼電器盤片正面布設四圈導電環道，內兩圈為持續滑觸線，滑觸線在盤片背面引出導線，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，盤片背面，第一組滑觸點（紅、藍色塊所示）的負端（藍塊）與第二組正端短接，按序操作，直至第17組負端終止。每組正端引出導線，加第17組負端，共計18根導線，與電池組18個節點按序連通。當圖3示右邊的旋轉臂持續旋轉時，電容器將與電池組每個單體電池循環并聯，電容不斷充放電，最終使電池組各單體電池電壓趨于一致。
該17通道持續旋轉繼電器也適用于串級數少于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。若應用于二次電池，均衡電流不可控將可能使觸點燒蝕氧化，失去均衡效果。特別地，為防止某些觸點失效，同一組電池可以連接兩只繼電器，分時運行。兩只繼電器在同一組號上觸點同時失效的概率極低，因此能達到充分的自主均衡。
正反轉定位繼電器的實例設計目標是大電流均衡，通常含增程（補容）用途，均衡元件是后備輔電池。應用于汽車電池組時，可行的設計方法是配置4組切換觸點。當后備輔電池始終接入主電池組時，以均衡目標為主，則輔電池可以不配置升降壓電路；當后備電池經常離線更換，單獨充電，用于增程目的時，則輔電池需標配升壓或降壓電路。
4通道型定位繼電器的觸點設計面積大，且旋臂兩只動觸點設計在旋轉中心兩邊，以平衡兩付動、靜觸點接合力。為減少接觸電阻，定位繼電器取消持續旋轉繼電器中的滑觸線概念，用柔性導線方法來應對臂的旋轉角差。其繼電器盤片和旋轉臂設計見圖4。
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圖4中，在盤片正面布設兩圈導電環道，導電環切分為等隔的四組滑觸點，內圈的厚短，外圈的細長，第一組觸點（紅、藍色塊）外圈的標記為A1+，內圈標記A3-，按序標記。然后在盤片背面將A1-與A2+短接、A2-與A3+短接、A3-與A4+短接、A4-引出導線5，再加上圖示1、2、3、4號導線，共5線，可連接電池組中四串電壓等級相同的電池包（包指單串或多串組合）。
定位繼電器的旋臂上每個動觸點設計由多個彈片組合而成，以確保過流能力。輔電池接入端直接由旋臂引出，引出導線彎折斷裂風險由兩個措施來消除，一為旋臂只在325度范圍內來回旋轉，二是采用柔性導線在旋臂層盤旋一至二圈來消弱導線彎曲用途力。
定位繼電器因要精確定位，因此相較持續旋轉繼電器需多出角度檢測或位置檢測等元件及電路。仍以汽車電池應用4通道定位繼電器為例，在主電池組內配置大4小共計5只四通道定位繼電器，1+4模式二級級聯，則目標電池串數最大為16。將目標電池組的總串數以整數方式分解為小于等于16的份數，每份數電壓等級相同。假設為16等份，每份電壓24V時，電池組總電壓可達384V，每份電壓為48V時，電池組總電壓可達768V，此兩個電池組電壓等級基本涵蓋了電動小汽車至電動大巴的應用。
因此，據此設計，在電池組箱體上設置二芯均衡（增程）接口，外接一個容量可選的24V或48V后備輔電池，既做到了對主電池組的部分均衡目標（電池包間均衡），也起到了應急和增程的效果。以上兩個應用實例以車載電池使用來論述，車載的要求是元器件小而精巧，當應用環境轉移到儲能環境而言，上述兩種類的旋轉繼電器的結構設計允許有較大的更改，以適應儲能環境的具體要求。
二種類旋轉繼電器的混合應用或單獨應用，在全新電池或梯次利用電池的多樣化使用中，都將發揮其高效的均衡用途。并且，隨著技術的進步，均衡概念必將淡化，特別是輔電池方法的提出，電池組的安全應用，未來的目標是能量流可控調節。
