【導(dǎo)讀】在電池管理系統(tǒng)（BMS）設(shè)計(jì)中，均衡能力直接決定著電池包的性能上限與壽命終點(diǎn)。傳統(tǒng)被動(dòng)均衡方案因能量耗散與效率問題，已難以滿足高能量密度電池組的管理需求。本文旨在深入剖析幾種主流主動(dòng)均衡技術(shù)的優(yōu)勢(shì)與局限，并探討如何通過創(chuàng)新的拓?fù)淙诤纤悸?，?gòu)建一種在復(fù)雜度與效能間取得最佳平衡的實(shí)用解決方案。文章將進(jìn)一步論證，在大型電池系統(tǒng)中，電池包（PACK）之間的系統(tǒng)級(jí)均衡與電芯（Cell）之間的單元級(jí)均衡具有同等重要的戰(zhàn)略意義，共同構(gòu)成了完整的高效能量管理閉環(huán)。

摘要

在電池管理系統(tǒng)（BMS）設(shè)計(jì)中，均衡能力直接決定著電池包的性能上限與壽命終點(diǎn)。傳統(tǒng)被動(dòng)均衡方案因能量耗散與效率問題，已難以滿足高能量密度電池組的管理需求。本文旨在深入剖析幾種主流主動(dòng)均衡技術(shù)的優(yōu)勢(shì)與局限，并探討如何通過創(chuàng)新的拓?fù)淙诤纤悸?，?gòu)建一種在復(fù)雜度與效能間取得最佳平衡的實(shí)用解決方案。文章將進(jìn)一步論證，在大型電池系統(tǒng)中，電池包（PACK）之間的系統(tǒng)級(jí)均衡與電芯（Cell）之間的單元級(jí)均衡具有同等重要的戰(zhàn)略意義，共同構(gòu)成了完整的高效能量管理閉環(huán)。

引言

主動(dòng)均衡設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)潔與高效，絕非華而不實(shí)的宣傳噱頭。本文將審視并介紹目前市場(chǎng)上廣泛采用的幾種主動(dòng)均衡解決方案。我們將分析每種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，目的是整合它們的優(yōu)勢(shì)，形成一種更具實(shí)用性、更能實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)潔與高效設(shè)計(jì)的解決方案。最后，我們將強(qiáng)調(diào)，盡管大多數(shù)現(xiàn)有主動(dòng)均衡設(shè)計(jì)主要關(guān)注電芯之間的均衡，但電池包之間的均衡同樣重要，不容忽視。

市場(chǎng)上現(xiàn)有的幾種主動(dòng)均衡解決方案

本系列文章的第一部分討論了主動(dòng)均衡在電池管理系統(tǒng)(BMS)中的重要性。事實(shí)上，市面上早已存在多種主動(dòng)均衡解決方案。這里將重點(diǎn)介紹圖1展示的三種常見主動(dòng)均衡解決方案。限于篇幅，這里無(wú)法探討所有可用解決方案，但本文介紹的三種方案極具代表性。這三種主動(dòng)均衡解決方案分別基于反激、多電感和開關(guān)電容，利用了電路中廣泛使用的三種儲(chǔ)能元件：變壓器、電感和電容。表1總結(jié)了這三種主動(dòng)均衡解決方案的工作原理及優(yōu)缺點(diǎn)。

圖1.三種最具代表性的主動(dòng)均衡解決方案架構(gòu)：反激式（左）、多電感（中）和開關(guān)電容（右）

表1.三種主動(dòng)均衡解決方案的工作原理和優(yōu)缺點(diǎn)比較

簡(jiǎn)化主動(dòng)均衡：更巧妙的設(shè)計(jì)方法

如上文所述，傳統(tǒng)的主動(dòng)均衡解決方案要么復(fù)雜昂貴，要么簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)但效率低下。本文探討的關(guān)鍵問題是如何在確保主動(dòng)均衡設(shè)計(jì)足夠簡(jiǎn)潔的同時(shí)，維持出色的效率。

重新評(píng)估主動(dòng)均衡的設(shè)計(jì)要求

得益于日益先進(jìn)的電池制造技術(shù)和嚴(yán)格的質(zhì)量控制流程，單體電芯的性能，尤其是規(guī)格相同且來自同一制造商的電芯的性能，通常高度一致。然而，單體電芯通常不會(huì)直接出售給電動(dòng)汽車(EV)或儲(chǔ)能系統(tǒng)(ESS)市場(chǎng)中的終端用戶。相反，專業(yè)電池包制造商會(huì)將多個(gè)規(guī)格相同的新電芯組裝成中高壓電池包，然后將其出售給電動(dòng)汽車和儲(chǔ)能系統(tǒng)制造商這樣的終端用戶。

由此不難明白，對(duì)于新組裝的電池包，內(nèi)部的電芯應(yīng)具有相似且一致的性能。但需要注意的是，在新電池包首次使用之前，電池包中各個(gè)電芯的電壓和荷電狀態(tài)(SOC)未必一致。這是因?yàn)椋轮圃斓碾姵夭灰欢〞?huì)在生產(chǎn)出來后就立即組裝成電池包。此外，在電池包完成組裝后，產(chǎn)品運(yùn)送到終端用戶并投入實(shí)際使用之前，也會(huì)需要一些時(shí)間。

在長(zhǎng)時(shí)間的儲(chǔ)存或運(yùn)輸期間，無(wú)論是對(duì)于單體電芯還是組裝好的電池包，電芯之間的電壓和SOC不均衡很容易發(fā)生。這個(gè)問題并不少見。新的（或相對(duì)較新的）電池包經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存或運(yùn)輸后，如果出現(xiàn)不均衡跡象，并不一定表明電芯性能不匹配。事實(shí)上，這些電芯仍可能具有非常相似的特性。務(wù)必注意，性能相似并必然意味著電壓或SOC水平相似，尤其是在經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存或運(yùn)輸之后。

因此，對(duì)于已儲(chǔ)存或運(yùn)輸較長(zhǎng)時(shí)間的電池包或電芯，在投入使用之前，一般建議進(jìn)行主動(dòng)或被動(dòng)均衡處理。

除了儲(chǔ)存和運(yùn)輸場(chǎng)景之外，還有一個(gè)需要注意的情況：隨著電池包運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)及充放電循環(huán)次數(shù)的增加，單體電芯之間的性能差異可能較電池包組裝初期有所擴(kuò)大。

隨著儲(chǔ)能系統(tǒng)容量的持續(xù)增長(zhǎng)，單體電芯的容量現(xiàn)在已達(dá)到320 Ah、600 Ah，甚至1000 Ah。其中，320 Ah代表以前的主流容量，600 Ah正成為當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)容量，而1000 Ah被視為未來方向，有些制造商已經(jīng)實(shí)現(xiàn)1000 Ah高容量電芯的量產(chǎn)能力。

對(duì)于不具備主動(dòng)均衡能力或僅使用被動(dòng)均衡的大容量電池包，電芯之間的初始微小不均衡隨著時(shí)間的推移，可能會(huì)逐漸演變?yōu)轱@著的不匹配，原因是均衡能力有限，而且長(zhǎng)期充放電循環(huán)會(huì)帶來累積效應(yīng)。最終，這種電芯不匹配可能導(dǎo)致電池包在實(shí)際運(yùn)行過程中出現(xiàn)顯著的容量損失和安全風(fēng)險(xiǎn)（例如過充和過放）。

主動(dòng)均衡的兩個(gè)關(guān)鍵作用

電池包內(nèi)電芯不匹配問題幾乎無(wú)法避免，主動(dòng)均衡因此成為改善性能的必要手段，可實(shí)現(xiàn)如下兩大功能：

1. 預(yù)防功能：在沒有顯著不匹配的電池包中，電芯狀況良好，性能差異極小。在這種情況下，主動(dòng)均衡的工作量相對(duì)較輕。如果將主動(dòng)均衡比作監(jiān)測(cè)電芯健康狀況的醫(yī)生，那么它只需定期對(duì)電芯進(jìn)行檢查即可。這種簡(jiǎn)單的監(jiān)測(cè)有助于防止或延遲性能差異的放大，使電芯不匹配的可能性最小化，并有效延長(zhǎng)電池包的使用壽命。

2. 糾正功能：在已經(jīng)存在較弱或不健康電芯的電池包中，主動(dòng)均衡可利用靈活性、大均衡電流和快速均衡特性，在較弱、不健康和表現(xiàn)良好的電芯之間重新分配電荷。由此可以有效延長(zhǎng)受電芯不匹配影響的電池包的使用壽命，確保電池包安全穩(wěn)定地運(yùn)行，同時(shí)降低過充和過放的風(fēng)險(xiǎn)。更重要的是，電芯不匹配對(duì)電池包容量損失的影響被盡可能降低。在此階段，主動(dòng)均衡如同外科醫(yī)生，努力緩解電芯不匹配問題并延長(zhǎng)電池包的使用壽命。

為何要簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)？具體如何實(shí)現(xiàn)？

既然上述三種主流的主動(dòng)均衡解決方案已經(jīng)在市場(chǎng)上得到廣泛應(yīng)用，為什么還要繼續(xù)進(jìn)一步簡(jiǎn)化主動(dòng)均衡設(shè)計(jì)？原因在于，雖然這三種解決方案（及其他未介紹的方法）都已成熟且有效，但它們?nèi)匀淮嬖谙喈?dāng)大的改進(jìn)潛力。

本文的主要目標(biāo)是分析過去的解決方案，綜合利用各種主流方法的優(yōu)勢(shì)，形成一種更具實(shí)用性、更能實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)潔與高效設(shè)計(jì)的解決方案。

例如，反激式隔離主動(dòng)均衡架構(gòu)的特點(diǎn)是效率高，特別是需要在非相鄰電芯之間進(jìn)行均衡時(shí)，這種架構(gòu)的性能明顯優(yōu)于其他方法。另一方面，基于多電感和開關(guān)電容的主動(dòng)均衡方法在均衡相鄰電芯時(shí)表現(xiàn)出色，控制邏輯更簡(jiǎn)單，運(yùn)行穩(wěn)定且性能強(qiáng)大。

總之，如果期望簡(jiǎn)化后的解決方案能夠?qū)崿F(xiàn)高均衡效率，則應(yīng)優(yōu)先考慮基于反激的均衡電路架構(gòu)。然而，基于反激的均衡電路通常需要變壓器，而使用大量變壓器會(huì)導(dǎo)致成本增加、系統(tǒng)體積增大，控制邏輯變得更加復(fù)雜。因此，當(dāng)追求簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)時(shí)，務(wù)必在保持高效率的同時(shí)，盡量減少變壓器的數(shù)量。對(duì)此，容易想到的一個(gè)思路是讓電池包內(nèi)的所有電芯共享同一反激電路和變壓器。

但是，僅僅簡(jiǎn)化硬件和減少變壓器數(shù)量還不夠?？刂七壿嫼瓦\(yùn)行策略的簡(jiǎn)化也同樣重要。主動(dòng)均衡是一種系統(tǒng)級(jí)解決方案，設(shè)計(jì)人員不僅需要考慮使用哪些IC和元件來實(shí)現(xiàn)能量傳輸（屬于硬件設(shè)計(jì)），還必須密切關(guān)注均衡策略，即主動(dòng)均衡算法的設(shè)計(jì)（屬于系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)）。

一般而言，電池均衡算法的設(shè)計(jì)取決于所支持的硬件架構(gòu)。因此，在簡(jiǎn)化均衡硬件設(shè)計(jì)的同時(shí)降低算法設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，仍然是一個(gè)必須解決的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

一種經(jīng)過簡(jiǎn)化的主動(dòng)均衡設(shè)計(jì)

基于上文討論的概念，本文提出了一種簡(jiǎn)單而高效的主動(dòng)均衡解決方案，如圖2所示。這種設(shè)計(jì)具有一個(gè)16電芯的電池包，利用兩個(gè)獨(dú)立的反激電路和兩個(gè)變壓器：一個(gè)用于電芯之間的均衡，另一個(gè)用于電池包之間的均衡。

在電芯間均衡部分，所有16個(gè)電芯共享一個(gè)基于反激的主動(dòng)均衡電源電路。通過開關(guān)矩陣選擇性地將均衡電路連接到不同電芯，實(shí)現(xiàn)對(duì)相同硬件資源的分時(shí)利用。這種設(shè)計(jì)既簡(jiǎn)單又精巧，避免了不必要的復(fù)雜性，同時(shí)保持了高效率和穩(wěn)健的性能。因此，這種方法在主動(dòng)均衡系統(tǒng)設(shè)計(jì)中表現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢(shì)。

此外，這種解決方案支持單體電芯之間和多個(gè)電池包之間的雙向均衡，顯著增強(qiáng)了跨電池包均衡的有效性。常規(guī)解決方案往往依賴外部獨(dú)立電源（如單獨(dú)的12 V或24 V電池）來支持電芯間甚至電池包間的均衡，但這種設(shè)計(jì)則不同，它完全利用電池包內(nèi)部的能量實(shí)現(xiàn)均衡。這樣不僅提高了系統(tǒng)整體效率，還減少了硬件和軟件設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。

關(guān)于簡(jiǎn)化的均衡算法設(shè)計(jì)，將在本系列文章的第三部分詳細(xì)討論。然而，這種算法有如下兩個(gè)關(guān)鍵原則：

1. 在電池包內(nèi)實(shí)現(xiàn)真正的雙向電芯間均衡會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)過于復(fù)雜，因此這種算法依賴中間充電緩沖區(qū)來實(shí)現(xiàn)間接均衡。具體而言，電池包內(nèi)的n個(gè)相鄰電芯被指定為緩沖區(qū)。然后通過兩步流程實(shí)現(xiàn)均衡：電芯到緩沖區(qū)放電，隨后是緩沖區(qū)到電芯充電，從而有效模擬單體電芯之間的雙向電荷轉(zhuǎn)移。

2. 在電芯到緩沖區(qū)放電期間，源電芯的能量均勻分配到n個(gè)緩沖電芯中。而在緩沖區(qū)到電芯充電期間，目標(biāo)電芯所需的能量均勻地從n個(gè)緩沖電芯中獲取。

這種方法在簡(jiǎn)化硬件架構(gòu)的同時(shí)，依然具備高性能均衡能力，在成本、效率與實(shí)際應(yīng)用價(jià)值之間實(shí)現(xiàn)了理想平衡，因而成為先進(jìn)BMS部署的高度實(shí)用且可擴(kuò)展的解決方案。

圖2.經(jīng)過簡(jiǎn)化的主動(dòng)均衡解決方案的示意圖，采用LT8306、LT8309、ADP1612、MAX7312、MAX32670和ADBMS6830B

為什么電池包之間的均衡同樣重要

在繼續(xù)討論建議的解決方案之前，讓我們首先探討為什么電池包之間的均衡也非常重要。

在由BMS和電池包組成的系統(tǒng)中，當(dāng)BMS工作時(shí)，多個(gè)電路模塊會(huì)消耗電力，包括電芯監(jiān)控、隔離通信、溫度傳感器、主動(dòng)均衡和被動(dòng)均衡等。然而，讓不同BMS電路實(shí)現(xiàn)相同的功耗水平非常有挑戰(zhàn)性。即使兩個(gè)BMS電路的功耗幾乎相同，但如果它們監(jiān)控的電池包具有不同數(shù)量的電芯（并不罕見），情況也會(huì)變得更加復(fù)雜。

在這種情況下，電芯較少的電池包需要為其電芯監(jiān)控器提供更大的IMONITOR電流。隨著時(shí)間推移，供電電流的差異會(huì)累積，兩個(gè)電池包之間的不均衡會(huì)變得更加嚴(yán)重。如果沒有適當(dāng)?shù)木庹{(diào)整，這種差異會(huì)導(dǎo)致電池包的容量顯著不匹配。因此，電池包之間的均衡同樣重要。參見圖3。

圖3.電池包之間不匹配情況的示意圖

結(jié)語(yǔ)

本文介紹了市場(chǎng)上常見的幾種主動(dòng)均衡架構(gòu)。通過綜合利用每種架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，我們提出了一種更具實(shí)用性、更能實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)潔與高效設(shè)計(jì)的解決方案。

然而，必須要承認(rèn)的是，盡管這種均衡解決方案注重簡(jiǎn)潔與高效，但在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景下，任何單一設(shè)計(jì)都無(wú)法輕松解決所有電芯不匹配問題。隨著單體電芯容量從320 Ah提升到600 Ah，甚至1000 Ah，電芯不匹配問題會(huì)更加明顯。在這種情況下，任何均衡策略在部署到電池包之前，都必須進(jìn)行仔細(xì)評(píng)估和驗(yàn)證。

ADI公司提供的解決方案涵蓋了幾乎所有主流的主動(dòng)均衡架構(gòu)，包括本文討論的三種架構(gòu)。每種架構(gòu)都有其優(yōu)點(diǎn)、局限性和理想應(yīng)用場(chǎng)景。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)具體需求，靈活選擇合適的解決方案。

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