BMS-DC/DC集成的电芯均衡方案

通常来说，电芯的均衡分两种，被动均衡即采用外接一个并联电阻将电芯多余能量耗散掉，主动均衡即把电芯多余能量从高电芯转移至低电芯。

福特在DOE的资助下，开发了一种新的主动均衡技术，在均衡时，并非把能量从高电芯转移至低电芯，而是通过将DC/DC集成到BMS系统，把电芯的能量转移至12V电源低压系统，如下所示。

在这个方案下，传统的BMS和DC/DC均不单独存在，统一由BMS-DC/DC集成器代替；每个电芯并联一个DC/DC变化器（也可以多个电芯对应一个DC/DC变换器），既负责将不均衡电芯能量导至12V低压系统，同时保证12V低压系统能够正常工作。即它需要处理好两个方面的问题：一个是需要确定总计多少电量可以维系12V系统在适当的电压，二是各变换器均衡电芯的电流大小分配。系统架构和示意图如下所示。

DC/DC变换器可以是单向的，也可以是双向的，福特基于C-MAX PHEV电池包进行开发时，采用的是单向方案（双向的电路和软件控制要复杂些），最大功率30W，效率93%；变换器同时具有电压监测功能，这样可以去掉原BMS的电压检测芯片。C-MAX电芯上的DC/DC集成器件如下所示（两根支架是为了散热，工程应用时可以优化掉）。

由于每个电芯均有一个DC/DC变换器，所以各电芯能够独立自动进行设计的均衡策略，整个电池包也就可以采用不同原则的均衡方案，如按最大续航里程、最大均衡效率、保护最差的电芯，等等。

福特将该技术集成到一辆2014 C-MAX PHEV的电池包进行测试和验证。4个模组，两组已经老化，两组电芯为新电芯。对比测试的两组模组，则分别为1个老化模组（容量大约衰减6%）+1个新电芯模组。

C-MAXPHEV电池系统共84个松下方形电芯，25Ah，NCM，4个模组，风冷。

其中，位于电池包底部的两个模组（1新+1老化）为福特原有的均衡设计－被动均衡，位于上层的两个模组为BMS-DC/DC的集成均衡方案。最后，根据US06的工况对此PACK进行循环测试。

测试结果的部分分析如下。下图是以给定不均衡条件下，最大续航里程为原则的均衡策略，可以看出在行驶（放电）过程中，随着放电的进行，老化电芯和新电芯最后会处于基于同一个水平的SOC，也就是新电芯会放更多电出来；在充电过程中，随着充电的进行，老电芯仍然维持在较低的SOC，而新电芯则会充入更多电量，维持在较高的SOC。

与采用原有被动均衡技术相比，集成式的均衡能把电芯的不均衡控制在较低的差异水平上。

根据福特的研究，该技术能够更为充分和精准地使用电芯的能量，让整个电池系统的寿命有较大的改善，福特对风冷的PHEV20（英里）车型、液冷的BEV75车型和液冷的BEV225车型进行模拟仿真评估，其寿命改善的效果在20%－45%左右。

目前，福特还没有将此技术进行产品化，围绕该技术还同时展开了对电芯寿命、SOC估算、成本等多个主题的研究。

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