锂离子电池组在循环和使用过程中，受制造工艺、工作温度及自放电率等因素影响，其单体电芯会不可避免地出现电压、容量及内阻等参数的不一致性。这种不一致性会降低电池组的可用容量，缩短其循环寿命，并带来潜在的安全风险。电池管理系统（BMS）中的均衡控制功能，是抑制这种不一致性、提升电池组整体性能与安全性的关键技术。当前，业界主要存在耗散型均衡与非耗散型均衡两大类技术路线，其工作原理各有不同。本文将给出几种均衡控制策略的评价指标，为相关技术研发与设计优化提供参考。
对于均衡控制策略而言，主要考虑均衡效果(均衡是否能够收敛)、对电池寿命的影响、时间消耗及能量消耗。以下从这四个方面建立均衡评价体系。
1.均衡效果
(1)收敛性
均衡效果体现在均衡是否能够正常收敛，即对于任意情况均衡策略都能使其收敛至既定阈值内。例如，当设定电池均衡目标为变量均值±ΔSoC，当每个电池小组内电池都收敛于区间[SoC-ΔSoC，SoC+ΔSoC]，此时说明均衡正常收敛。均衡的收敛性是均衡的一个重要指标，对于均衡而言，如果均衡无法收敛，均衡操作不能正常停止，则在均衡过程中能量是不断消耗的，该种策略会致使电池能量在均衡中不断浪费，直至电池能量为0。
收敛性是均衡的最基本的指标，策略只有正常收敛对其他指标的讨论才有意义。
(2)容量利用率ηcap
均衡的主要目的是消除均衡的不一致性，提高容量的利用率。不妨将容量的利用率定义为电池组最大放电容量Cdischarge与所有单体电池电量的均值C之比。
最理想的情况是电池均衡过程中无能量损失，经过均衡操作，在充电过程中每一个电池都能完全充满，在放电过程中，每一个电池都能完全放空。电池的容量得到充分利用，此时容量利用率为100%。电池组的容量利用率是评价均衡效果的另一个重要指标。
2.对电池寿命的影响
电池在均衡过程中，往往伴随着电池的充电或放电操作，经研究发现，电池的容量衰减与电池的累计充放电电荷相关。均衡对电池寿命的影响体现在均衡过程中累计充放电电量的大小。在对均衡策略进行评价的过程中，通过平均累计充放电电荷对电池的寿命进行量化比较。
式中，Q为电池平均累计充放电电荷；i为均衡电流。在对电池寿命的分析中，以Q作为均衡对电池寿命影响的指标，均衡过程累计充放电电量越大，均衡对电池寿命的保护越差。均衡策略中对电池寿命的保护效果也是评价均衡策略的指标之一。
3.时间消耗
虽然对于储能型BMS而言，时间消耗并非优先考虑的因素；但是对于BMS而言，总是希望在较短的时间内消除电池的不均衡。这样一来，就希望电荷能从SoC较高的电池快速地转移到SoC较低的电池上。
对于某种特定的均衡初始条件而言，即均衡变量、均衡时机、参数取值以及电池组的初始容量分布都确定后，对应的均衡时间消耗也是确定的。然而，对于整个均衡策略而言，需要对均衡中的各种可能出现的初始条件都进行综合分析给出总体的评价指标。其中，均衡的时间分布、均衡的最大时间、平均时间都是体现均衡时间的参数之一。均衡的时间分布反映的是最终均衡效果在不同初始条件下的离散程度，体现均衡策略的稳定性。均衡的最长时间反映极端条件下的均衡时长，在实际应用中，可以根据实际需求设定最长时间，例如充电均衡必须在夜间充电时完成，均衡的总时间最大不能多于12h等。均衡的平均时间体现的是该均衡策略在时间消耗方面的总体水平。
4.能量消耗
在充放电均衡操作过程中，电荷的“得”与“失”伴随着能量的“得”与“失”，在能量转移过程中由于效率的原因会伴随着能量的消耗。能量的消耗可以反映出均衡方案的总体性能，体现出其对能量的保护程度。能量消耗的绝对值直接与BMS的热管理相关，电池组在均衡过程中，释放的能量越少，代表着该策略对应的BMS热管理的难度大大降低。均衡的能耗分布、均衡的最大能耗、均衡的平均能耗都是体现均衡能耗的参数之一。与时间消耗相同，均衡的平均能耗体现出均衡策略在能量保护上的总体水平。
如图 5-19所示，均衡前后的能量差值(E0-E5-E6-E7-E8)即为均衡的能量消耗。
此外，电池箱内部的热耗散功率也是需要考虑的参数之一，热耗散功率定义为电池箱内部的能耗与时间之比，如式(5-18)所示。其中为电池内部消耗的能量(在电池箱外部的发热不计入统计)，T为均衡的时间。
此外，对于均衡系统的评价还包括安全性、可行性等，而均衡收敛性、容量利用率ηcap、均衡对电池寿命的影响Q、均衡时间T、均衡能耗E、电池热耗散功率P这6个指标往往相互结合对策略进行综合评价。其中，均衡收敛性是均衡策略的最重要的一个指标，因为如果均衡策略无法收敛，那么均衡的能量始终在不断消耗，其余5个评价指标都是在收敛性的基础上进行的讨论。
本节将根据以上介绍的评价指标，针对两种非耗散型均衡（分级均衡、中转均衡）与耗散型均衡控制策略的流程相同点与不同点进行对比。
在既定的均衡变量和均衡时机中，均衡电流对均衡的时间消耗、能量消耗以及热耗散功率都有很大影响。分级均衡、铅酸电池中转均衡、耗散型均衡仿真结果分别如图5-20、图5-21、图5-22所示。随着均衡电流的增大，均衡的时间减小但是能耗与热耗散功率逐渐提高。时间消耗、能量消耗、热耗散功率等往往不能实现全部最优。本节将在不同方面对各策略进行对比，并通过对比各个策略最优解获取所需的均衡策略。
需要注意的是，由于各项评价指标中容量利用率值越大表征均衡效果越好，而热耗散功率、能量消耗、时间消耗、累计充放电电量越大表征均衡效果越差因此在图5-20、图5-21、图5-22中，容量利用率所在坐标轴在原点时为100%其余轴原点为0。此时各项指标越接近原点代表均衡效果越好。
对于均衡的时间效率而言，可以以相对时间消耗对均衡策略进行分析。此处以传统的耗散型控制策略进行对比研究。通过了解非耗散型均衡控制方法的能量消耗、时间消耗，以传统的耗散型方法作为“标准量”，分别求出“相对量”进行对比。例如，对于某种初始情况，用传统耗散型的方法进行均衡充电需要1h，用分级均衡需要0.5h，铅酸电池中转均衡需要0.8h，则分级均衡的“相对时间消耗”为50%，而铅酸电池中转均衡的“相对时间消耗”为80%。同理，也可以同样对相对能量消耗进行定义。均衡的相对时间消耗和相对能量消耗，有助于对策略进行更加直观的了解。
为了对策略进行对比分析，两者的均衡条件完全相同，其中两者均衡电流都为3.3A，其余参数设置均保持一致。
1.相对时间消耗对比
结合均衡耗散模型对两种均衡策略进行仿真，获得相对时间消耗如图5-23所示。
(1) 铅酸电池中转均衡
当均衡电流为3.3A时，时间消耗在50%~60%区间的样本为样本总数的81.8%。总体而言，铅酸电池中转均衡的平均均衡时间约为相同条件下耗散型均衡的 55.3%。
(2)基于小型充电机的分级均衡
在均衡电流为3.3A时，分级均衡在完成LLB时相对时间消耗约占总时间的53%。分级均衡相对时间分布图中，存在约40%的仿真样本均衡时间大于耗散型均衡，在时间上并没有有效得到优化，其平均时间为耗散型的1.07倍。主要原因是在该种仿真条件下，HLB中小型充电机的充电电流大小只有总充电机的11%所需充电时间更长，当减少小型充电机与总充电机的充电电流差距时，分级均衡的时间会逐渐接近基于铅酸电池中转均衡的均衡时间。在该种均衡前提下，基于铅酸电池的均衡所需时间更短。
2.最优时间对比
对比图5-20、图5-21、图5-22中的两个非耗散型均衡策略和传统的耗散型均衡策略在不同均衡电流下的仿真结果可知，随着电流的增大，电池的均衡时间逐渐缩短。
当电流为10A时两者所需要的均衡时间最短，此时对其进行对比的结果见表5-4。
由表5-4以及图5-24可知，当电流最大时，基于铅酸电池的中转均衡与分级均衡相对耗散型均衡的时间消耗为62.6%、87.7%。当追求时间最优时，铅酸电池中转均衡所需时间更短。
此时，其相对时间消耗分布如图5-25所示，相比图5-23，相对时间消耗分布总体向左偏移，随着电流的增大绝对均衡时间消耗与相对时间消耗都降低。
1.相对能量消耗对比
均衡相对能量消耗分布如图5-26所示。在分级均衡以及铅酸电池中转均衡中相对能量消耗分布在小于30%的区间内。与传统的耗散型均衡相比，分级均衡与铅酸电池中转均衡的能量消耗分别占耗散型均衡的18.1%和21.4%，与耗散型均衡相比，非耗散型均衡的能量消耗有显著的改善。
2.最优能量消耗对比
由于均衡能量消耗与具体的均衡电流有关，为此，不失一般性地，这里选取均衡电流为1A进行分析，对比不同均衡策略的均衡效果，见表5-5。
从表5-5可知，总体而言，分级均衡与铅酸电池中转均衡的平均能量消耗分别为997.2kJ与1257.7kJ。两种均衡策略相比于耗散型均衡的相对能量消耗分布如图5-27所示。从上述图表中可知，分级均衡与铅酸电池中转均衡的能量消耗相对于传统耗散型均衡都有较显著的减少，相对能量消耗分别减少84.0%79.8%。
不同均衡策略的综合对比如图5-28所示，相对于耗散型均衡，分级均衡与铅酸电池中转均衡在热耗散方面的优化效果最为显著，平均热耗散功率分别减少62.8%、93.5%。
在本节中将结合具体的案例对均衡策略进行选取。假设96个100Ah的磷酸铁锂电池组成的动力电池组需要均衡，要求充电均衡过程中，均最大热耗散功率不大于150W，平均能量消耗不超过1500kJ，最大均衡时间不超过8h。则通过求解可行域，可以得出每个策略的参数表见表5-6。
本节对传统的耗散型均衡、分级均衡以及铅酸电池中转均衡策略进行了全面对比分析。根据不同的评价指标对三种策略进行了定量对比。最后，结合实际约束条件，对三种策略的参数选取进行了分析，可得出以下4个结论。
1)当均衡电流为3.3A时，铅酸电池中转均衡时间最短。当均衡电流为10A时，三种策略均衡时间都取得各自的最优值，此时铅酸电池中转均衡与分级均衡相对耗散型均衡的时间消耗为62.6%、87.7%，相比较而言，铅酸电池中转均衡所需时间更短。
2)当均衡电流为3.3A时，分级均衡能量消耗最低。当均衡电流为1A时，三种策略均衡能量消耗都取得各自的最优值，与传统的耗散型均衡相比，分级均衡与铅酸电池中转均衡能量消耗相对耗散型减少84.0%、79.8%。与耗散型均衡相比，非耗散型均衡的能量消耗有显著的改善，此时三种策略中，分级均衡能量消耗更低。
3)当均衡电流为3.3A时，铅酸电池中转均衡与分级均衡策略累计充放电电量分别占耗散型的76%、83%，但是在均衡过程中铅酸电池累计充放电量的平均值为55Ah。铅酸电池中转均衡中对铅酸电池的寿命影响较大。
4)在双向均衡中，三种策略容量利用率都取得各自的最优值，但是铅酸电池中转均衡的容量利用率最高，因为在放电过程中，它对整个电池组进行非耗散型均衡。
BMS测试与验证
国家及各地对BMS的测试验证制定了相关的标准，而实际上在企业研发、生产BMS时要进行的测试与验证工作，应该突破国标的限制，进行更为严格的测试检验。BMS在研发阶段与在产品阶段测试是有区别的。一般来说，研发阶段要对较为复杂的软件控制策略、算法进行验证，要尽可能遍历各种复杂的情况；而产品线上是质检，要求检验速度快，要选择有代表性的指标进行验证。
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