簡單高效，即便不是所有設(shè)計(jì)人員的共同追求，也是大多數(shù)人的目標(biāo)。本著“簡單制勝”的原則，本文針對電池管理系統(tǒng)(BMS)，深入探討了一種簡單而高效的主動均衡系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原型。

引言

您是否依然認(rèn)為電芯的主動均衡方案要么復(fù)雜昂貴，要么簡單經(jīng)濟(jì)但效率低下？其實(shí)，這種看法并不全然源于評估者的主觀偏見，而更多是基于對市面上各類主動均衡方案所做的客觀且公正的分析所得出的判斷。 

本系列文章分為三個(gè)部分：

?   第一部分探討電芯容量不匹配和阻抗不匹配對電池管理系統(tǒng)(BMS)電池包的影響。

?   第二部分介紹市面上幾種傳統(tǒng)的主動均衡解決方案，并分析為什么過去的設(shè)計(jì)未能實(shí)現(xiàn)簡單高效。文中還會討論為什么電池包之間的均衡與電芯之間的均衡同樣重要。

?   第三部分深入評估一個(gè)簡單高效的主動均衡原型，包括電路設(shè)計(jì)、算法、GUI和均衡性能。 

隨著討論從基礎(chǔ)概念逐步進(jìn)入細(xì)致分析，無論是BMS和主動均衡領(lǐng)域的專業(yè)人士和工程師，還是僅僅因標(biāo)題而產(chǎn)生興趣的普通讀者，都能從中獲得有價(jià)值的見解和啟示。 

第一部分：深入探討BMS中的主動均衡

電芯不匹配對BMS電池包的影響

在BMS中，多個(gè)電芯通常串聯(lián)連接，形成高壓電池包。這種高壓電池包能夠?yàn)槎喾N系統(tǒng)供電，包括電動汽車、高壓儲能系統(tǒng)和不間斷電源。對于這些串聯(lián)連接的電芯，理想的工作條件是所有電芯具有一致的參數(shù)，例如一致的電芯電壓、內(nèi)阻、荷電狀態(tài)(SoC)、健康狀態(tài)(SoH)和工作溫度。 

實(shí)際上，當(dāng)一批全新電芯剛剛由制造商生產(chǎn)出來時(shí)，它們的性能和指標(biāo)通常是一致的。但在投入實(shí)際使用后，隨著電芯的老化，負(fù)載、環(huán)境溫度和濕度、充電循環(huán)次數(shù)等因素會導(dǎo)致電芯性能不可避免地出現(xiàn)差異。 

當(dāng)電芯之間的性能差異較小時(shí)，一般不會對電池包的正常運(yùn)行造成影響，也無需予以特別關(guān)注。但一旦電芯之間的性能差異變得足夠顯著，威脅到電池包的正常運(yùn)作，就必須解決此問題。在以下章節(jié)中，電芯之間的顯著性能差異將被稱為電芯不匹配。

電芯容量不匹配

如圖1所示，如果電池包中有幾個(gè)電芯的容量明顯低于其他電芯，則稱這幾個(gè)電芯為弱電芯。在充電和放電過程中，弱電芯都會帶來問題。在充電過程中，弱電芯會更快達(dá)到滿電壓，先于其他電芯充滿電。然而，電池包由多個(gè)電芯串聯(lián)而成，當(dāng)弱電芯充滿電時(shí)，充電電流并不會自動停止。因此，一旦弱電芯充滿電，整個(gè)電池包的充電過程必須立即停止，以避免過充風(fēng)險(xiǎn)，防止危及弱電芯和整個(gè)電池包。 

類似地，在放電過程中，弱電芯的電壓會更快下降，先于其他電芯更早達(dá)到完全放電狀態(tài)。同樣，一旦弱電芯完全放電，整個(gè)電池包的放電過程必須立即停止，否則就會有過放電風(fēng)險(xiǎn)，也會帶來安全隱患。細(xì)心的讀者可能很快就意識到，在包含弱電芯的電池包中，整體容量利用率顯著降低。若沒有電芯均衡，健康的電芯在每次循環(huán)中將無法完全充電或完全放電。隨著時(shí)間推移，電芯經(jīng)歷反復(fù)充放電循環(huán)，其中弱電芯由于經(jīng)歷更多的循環(huán)，往往會出現(xiàn)更快的容量衰減，從而加劇與其他健康電芯之間的不匹配。

圖1.電池包充電和放電過程中電芯容量不匹配的影響

電芯阻抗不匹配

除了電芯容量，另一個(gè)需要高度關(guān)注的重要參數(shù)是電芯阻抗。與容量不匹配類似，阻抗不匹配是指電池包中一個(gè)電芯的阻抗與其他電芯的阻抗明顯不同。一些工程師使用電化學(xué)阻抗譜分析(EIS)方法來測量每個(gè)電芯的阻抗，并評估它們的健康狀態(tài)。健康或相對較新的電芯通常具有較低的阻抗，而老化或不健康的電芯往往具有較高的阻抗。通過以下圖示，可以更直觀地理解阻抗不匹配對電池包性能的影響。 

為了便于討論，我們將電池包中阻抗明顯較高的電芯稱為不健康電芯。圖2直觀地展示了這一現(xiàn)象，將電芯在充放電時(shí)的行為簡化為一個(gè)由電容和電阻串聯(lián)構(gòu)成的等效電路模型。需要注意的是，這種抽象是為本文的討論而作出的必要簡化。盡管它有助于說明阻抗不匹配的影響，但并不反映真實(shí)電芯的實(shí)際物理和電氣特性。 

在充電過程中，內(nèi)阻較高的不健康電芯在給定的充電電流下，會經(jīng)歷更大的電壓降。在這種情況下，如果所有電芯都表現(xiàn)出相同的電壓值，不健康電芯存儲的電能實(shí)際上更少。如圖所示，不健康電芯在充電過程中具有較小的Vcell_actual值。此外，由于其阻抗造成的功率損耗更高，不健康的功率電芯通常會經(jīng)受更高的充電溫度。 

在放電過程中，更高的阻抗導(dǎo)致在給定的放電電流下，電壓降更大，功耗更高。因此，不健康電芯的電壓和容量下降速度更快，放電溫度通常也更高。隨著時(shí)間推移，經(jīng)過反復(fù)充放電循環(huán)，更高的溫度和老化效應(yīng)會進(jìn)一步加速不健康電芯的阻抗增加，從而加劇電池包內(nèi)的阻抗不匹配問題。

圖2.電池包充電和放電過程中電芯阻抗不匹配的影響 

通過分析容量不匹配和阻抗不匹配，細(xì)心的讀者可能注意到，盡管這兩種不匹配代表了電芯不均衡的不同方面，但它們最終產(chǎn)生的影響非常相似。無論是容量較低的弱電芯，還是阻抗較高的不健康電芯，它們主要影響的都是電池包的可用容量和工作電壓。含有弱電芯或不健康電芯的電池包，其整體容量利用率和安全工作時(shí)間會顯著減少。此外，這些不匹配的電芯會對電池包內(nèi)表現(xiàn)良好的電芯的安全性和正常運(yùn)行構(gòu)成持續(xù)威脅。

BMS中的被動/主動均衡至關(guān)重要

基于上文關(guān)于電芯不匹配問題的討論，理解BMS中被動和主動均衡的應(yīng)用就會容易得多。 

被動均衡是一種耗散性方法，通常在充電周期中進(jìn)行。弱電芯的容量較低，因此在相同的充電電流下，其電壓上升得更快。當(dāng)弱電芯首先達(dá)到或接近滿電時(shí)，多余的電能必須立即耗散掉。雖然這種電能耗散會導(dǎo)致熱量產(chǎn)生和熱管理挑戰(zhàn)，但可以延長健康電芯的充電時(shí)間，最終會提升電池包的整體運(yùn)行時(shí)間。被動均衡在BMS中廣泛采用，大多數(shù)電芯監(jiān)測IC都集成了這一功能。 

主動均衡則是通過變壓器、電容和電感在電芯之間轉(zhuǎn)移電能。這種方法在充電和放電周期中均有效，能夠高效地重新分配電荷。雖然被動均衡和主動均衡各有優(yōu)缺點(diǎn)（如表1所總結(jié)），但在實(shí)際BMS設(shè)計(jì)中，選擇哪種均衡方法并非簡單地基于優(yōu)缺點(diǎn)的直接比較，而是取決于電池系統(tǒng)的容量和規(guī)模。 

通常，均衡電流設(shè)為電芯容量的約1%到5%。例如，在一個(gè)4 Ah鋰電芯中，如果均衡電荷是容量的5%，則需要進(jìn)行200 mAh的均衡。這種情形非常適合被動均衡，BMS設(shè)計(jì)人員可實(shí)現(xiàn)一個(gè)200 mA被動均衡電路，在大約一小時(shí)內(nèi)完成電荷耗散，或?qū)崿F(xiàn)一個(gè)100 mA電路，在兩小時(shí)內(nèi)完成電荷耗散。最終，設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)所選的電芯監(jiān)測IC的被動均衡電流能力和電芯容量，制定具有針對性的被動均衡策略。 

作為對比，考慮一個(gè)300 Ah高容量儲能電芯，5%的均衡電荷相當(dāng)于15 Ah。即便使用300 mA的被動均衡電流（已經(jīng)相當(dāng)高），也需要50多個(gè)小時(shí)才能完成均衡。實(shí)際的均衡時(shí)間會更長，因?yàn)樵趩蝹€(gè)電芯通道上長時(shí)間地持續(xù)進(jìn)行被動均衡會導(dǎo)致過熱，并可能損壞BMS芯片。因此，主動均衡對于高容量電芯是必不可少的。 

例如，如果一個(gè)主動均衡電路可以處理15 A的電荷轉(zhuǎn)移電流，則15 Ah的不均衡可在大約一小時(shí)內(nèi)得到糾正。如果容量為7.5 A，則可能需要大約兩小時(shí)，依此類推。與被動均衡不同，主動均衡不會浪費(fèi)電能，而是將電能重新分配到其他電芯或電池包，因此能夠提升整體能效，同時(shí)減輕BMS的熱管理負(fù)擔(dān)。

表1.被動和主動電池均衡的優(yōu)缺點(diǎn)

第二部分：探索適用于BMS設(shè)計(jì)的高效主動均衡解決方案 

主動均衡設(shè)計(jì)的簡潔與高效，絕非華而不實(shí)的宣傳噱頭。本文將審視并介紹目前市場上廣泛采用的幾種主動均衡解決方案。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，形成一種更具實(shí)用性、更能實(shí)現(xiàn)簡潔與高效設(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。 

市場上現(xiàn)有的幾種主動均衡解決方案

本系列文章的第一部分討論了主動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均衡解決方案。這里將重點(diǎn)介紹圖3展示的三種常見主動均衡解決方案。限于篇幅，這里無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能元件：變壓器、電感和電容。表2總結(jié)了這三種主動均衡解決方案的工作原理及優(yōu)缺點(diǎn)。

圖3.三種最具代表性的主動均衡解決方案架構(gòu)：反激式（左）、多電感（中）和開關(guān)電容（右） 

表2.三種主動均衡解決方案的工作原理和優(yōu)缺點(diǎn)比較

簡化主動均衡：更巧妙的設(shè)計(jì)方法

如上文所述，傳統(tǒng)的主動均衡解決方案要么復(fù)雜昂貴，要么簡單經(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均衡設(shè)計(jì)足夠簡潔的同時(shí)，維持出色的效率。

重新評估主動均衡的設(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，單體電芯通常不會直接出售給電動汽車(EV)或儲能系統(tǒng)(ESS)市場中的終端用戶。相反，專業(yè)電池包制造商會將多個(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汽車和儲能系統(tǒng)制造商這樣的終端用戶。 

由此不難明白，對于新組裝的電池包，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〞谏a(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，也會需要一些時(shí)間。 

在長時(shí)間的儲存或運(yùn)輸期間，無論是對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（或相對較新的）電池包經(jīng)過長時(shí)間儲存或運(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)過長時(shí)間儲存或運(yùn)輸之后。 

因此，對于已儲存或運(yùn)輸較長時(shí)間的電池包或電芯，在投入使用之前，一般建議進(jìn)行主動或被動均衡處理。 

除了儲存和運(yùn)輸場景之外，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。 

隨著儲能系統(tǒng)容量的持續(xù)增長，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。 

對于不具備主動均衡能力或僅使用被動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，可能會逐漸演變?yōu)轱@著的不匹配，原因是均衡能力有限，而且長期充放電循環(huán)會帶來累積效應(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法避免，主動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，主動均衡的工作量相對較輕。如果將主動均衡比作監(jiān)測電芯健康狀況的醫(yī)生，那么它只需定期對電芯進(jìn)行檢查即可。這種簡單的監(jiān)測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，電芯不匹配對電池包容量損失的影響被盡可能降低。在此階段，主動均衡如同外科醫(yī)生，努力緩解電芯不匹配問題并延長電池包的使用壽命。

為何要簡化設(shè)計(jì)？具體如何實(shí)現(xiàn)？

既然上述三種主流的主動均衡解決方案已經(jīng)在市場上得到廣泛應(yīng)用，為什么還要繼續(xù)進(jìn)一步簡化主動均衡設(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，形成一種更具實(shí)用性、更能實(shí)現(xiàn)簡潔與高效設(shè)計(jì)的解決方案。 

例如，反激式隔離主動均衡架構(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)電容的主動均衡方法在均衡相鄰電芯時(shí)表現(xiàn)出色，控制邏輯更簡單，運(yùn)行穩(wěn)定且性能強(qiáng)大。 

總之，如果期望簡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，僅僅簡化硬件和減少變壓器數(shù)量還不夠。控制邏輯和運(yùn)行策略的簡化也同樣重要。主動均衡是一種系統(tǒng)級解決方案，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)過簡化的主動均衡設(shè)計(jì)

基于上文討論的概念，本文提出了一種簡單而高效的主動均衡解決方案，如圖4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)對相同硬件資源的分時(shí)利用。這種設(shè)計(jì)既簡單又精巧，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，這種方法在主動均衡系統(tǒng)設(shè)計(jì)中表現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢。 

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4.經(jīng)過簡化的主動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)電路模塊會消耗電力，包括電芯監(jiān)控、隔離通信、溫度傳感器、主動均衡和被動均衡等。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I_MONITOR電流。隨著時(shí)間推移，供電電流的差異會累積，兩個(gè)電池包之間的不均衡會變得更加嚴(yán)重。如果沒有適當(dāng)?shù)木庹{(diào)整，這種差異會導(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5。

圖5.電池包之間不匹配情況的示意圖

本部分介紹了市場上常見的幾種主動均衡架構(gòu)。通過綜合利用每種架構(gòu)的優(yōu)勢，我們提出了一種更具實(shí)用性、更能實(shí)現(xiàn)簡潔與高效設(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潔與高效，但在實(shí)際應(yīng)用場景下，任何單一設(shè)計(jì)都無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。 

第三部分：高效主動均衡背后的架構(gòu) 

在系統(tǒng)級電路解決方案中，為了實(shí)現(xiàn)或平衡“簡潔與高效”這兩大目標(biāo)，往往需要統(tǒng)籌考量硬件架構(gòu)與軟件算法。主動均衡正是這種系統(tǒng)級解決方案的典型體現(xiàn)。在硬件層面，設(shè)計(jì)人員需審慎選擇合適的IC和元器件以實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)移；與此同時(shí)，主動均衡策略的設(shè)計(jì)，即主導(dǎo)均衡過程的關(guān)鍵算法，也應(yīng)給予同等重視。本文深入探討了電池管理系統(tǒng)(BMS)高效主動均衡設(shè)計(jì)背后的架構(gòu)和算法。 

承續(xù)本系列已闡述的主動均衡概念，接下來將從兩個(gè)維度繼續(xù)討論該主題：均衡架構(gòu)和均衡算法。我們將從硬件和軟件兩個(gè)層面，探討如何設(shè)計(jì)一個(gè)高效、精簡、易于部署與評估的系統(tǒng)級主動均衡解決方案。 

本部分重點(diǎn)介紹均衡架構(gòu)。設(shè)計(jì)方案中包括一個(gè)開關(guān)矩陣主板、兩個(gè)反激電源板、一個(gè)電池管理系統(tǒng)(BMS)控制板、一個(gè)微控制器單元(MCU)評估板和一個(gè)isoSPI隔離通信評估板。以下章節(jié)將簡要介紹每個(gè)硬件板的功能。

開關(guān)矩陣電路板

在主動均衡設(shè)計(jì)中，電荷需要在電芯之間以及電池包之間傳輸。正如本系列第二部分所述，更高效、更精簡的均衡解決方案采用多電芯電池包，并使用兩個(gè)獨(dú)立的反激電路和兩個(gè)變壓器：一個(gè)專用于電芯之間的均衡，另一個(gè)專用于電池包之間的均衡。開關(guān)矩陣以時(shí)分復(fù)用的方式，選擇性地將不同電芯連接到主動均衡電路。 

該主動均衡架構(gòu)中的開關(guān)矩陣是基于先前討論的概念構(gòu)建而成。它包含一個(gè)16通道電芯選擇矩陣，能夠精確接入目標(biāo)電芯進(jìn)行均衡。此外還有四個(gè)極性選擇開關(guān)，用于在選定電芯連接到反激電路時(shí)調(diào)整電壓極性。整體均衡架構(gòu)如圖6所示。

圖6.主動均衡電路架構(gòu)示意圖 

該架構(gòu)使用單個(gè)反激電源級，通過在電池包內(nèi)的多個(gè)電芯之間分時(shí)共享一個(gè)反激轉(zhuǎn)換器來實(shí)現(xiàn)電芯間均衡。可選擇被均衡電池包中16個(gè)電芯中的任何一個(gè)進(jìn)行均衡。 

反激電源級由LT8306驅(qū)動，后者是一款高集成度且高效的控制器，只需極少的外部元件，非常適合主動均衡系統(tǒng)中的隔離式能量轉(zhuǎn)移應(yīng)用。模組電壓直接來源于已均衡的電池包，因此在運(yùn)行期間，即使單個(gè)電芯電壓出現(xiàn)波動，占空比變化仍能保持最小。這使得充電和放電能夠接近恒流，從而帶來更穩(wěn)定的硬件性能，并大大簡化主動均衡算法的開發(fā)和調(diào)試，如表3所示。 

理論上，源自電池包中N個(gè)電芯的模組電壓Vmodule可能并不完全等于N × Vcell（任何單個(gè)電芯的電壓），但實(shí)際上，配置良好且運(yùn)行正常的主動均衡系統(tǒng)能以非常高的一致性維持Vmodule ≈ N × Vcell。

圖7.基于本文所提出架構(gòu)的單電芯放電的LTspice仿真 

表3.電芯均衡期間的占空比變化（假設(shè)模組電壓為N個(gè)電芯的電壓之和，其中N = 8）

占空比（電芯放電）= (Vcell × N + VF) × NPS/(Vcell + (Vcell × N + VF) × NPS)

占空比（電芯充電）= (Vcell + VF) × NSP/(Vcell × N + (Vcell + VF) × NSP)

NPS = 1:N；NSP = N:1；VF = 0.3 V 

反激電路設(shè)計(jì)和仿真

LT8306與Würth變壓器（產(chǎn)品型號749119533）和必要的無源元件結(jié)合使用，可實(shí)現(xiàn)隔離式反激電源級，作為主動均衡架構(gòu)的一部分，用于電芯之間的能量轉(zhuǎn)移。圖7和圖8展示了該架構(gòu)中使用的反激電路的LTspice^?原理圖和相應(yīng)的仿真結(jié)果。仿真清楚地表明，該電路實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的電芯充放電雙向均衡。

升壓轉(zhuǎn)換器和同步整流

在該架構(gòu)中：

?   在電芯側(cè)，LT8306由7 V穩(wěn)壓電源供電。假設(shè)單個(gè)鋰離子電芯的最大電壓為4.2 V，該架構(gòu)的推薦工作范圍為3.0 V至4.2 V，則7 V電源軌由ADP1612升壓轉(zhuǎn)換器對電芯電壓進(jìn)行升壓來產(chǎn)生。該器件是一款高性價(jià)比、高效率轉(zhuǎn)換器，非常適合將均衡電路中的低電芯電壓升高至適當(dāng)?shù)碾娖剑源_保LT8306在最佳范圍內(nèi)工作。 

?   在電芯均衡充電期間，反激輸出與單個(gè)電芯的電壓一致。在如此低的電壓和相對較高的充電電流下，使用二極管進(jìn)行續(xù)流會造成顯著的損耗和過熱問題，而且這些問題會隨著電芯電壓下降而變得更加嚴(yán)重。但是，若將LT8306與LT8309等同步整流控制器配合使用，則可實(shí)現(xiàn)高效率轉(zhuǎn)換路徑，同時(shí)最大限度地減輕熱應(yīng)力，尤其是在低電壓、高電流情況下。

圖8.基于本文所提出架構(gòu)的單電芯充電的LTspice仿真 

圖9顯示了采用ADP1612升壓轉(zhuǎn)換器和LT8309同步整流以實(shí)現(xiàn)主動均衡的反激電源級的完整LTspice仿真。

反饋設(shè)計(jì)考量因素

利用LT8306進(jìn)行主動均衡的一個(gè)關(guān)鍵因素是其反饋網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)。從電芯到反激電路輸入端的路徑的總電阻（稱為R_ROUTE）通常不容忽略。該電阻由以下幾部分構(gòu)成：電芯內(nèi)阻、母線電阻、線束電阻、連接器電阻、保險(xiǎn)絲電阻、PCB走線電阻以及六個(gè)串聯(lián)MOSFET的總導(dǎo)通電阻R_DS(ON)。 

根據(jù)元件選擇、線束質(zhì)量和實(shí)際裝配條件，R_ROUTE可能會有很大差異，從幾十毫歐到幾百毫歐不等。其精確值通常需要現(xiàn)場測量才能確定。當(dāng)乘以平均充電電流（I_CHARGE，可達(dá)數(shù)安培）時(shí)，R_ROUTE兩端的電壓降可能在幾十到幾百毫伏之間。對電芯充電時(shí)，次級側(cè)LT8306以相對較高的開關(guān)頻率(Fsw)工作。在這種情況下，由電芯輸入端反激級的大布線電阻(R_ROUTE)和大輸入電容器(C_INPUT)形成的時(shí)間常數(shù)τ = R_ROUTE × C_INPUT變得非常重要。如果該τ超過反激開關(guān)周期(Tsw = 1/Fsw)，特別是如果它超過次級LT8306關(guān)斷時(shí)間(Toff)，那么當(dāng)LT8306采樣保持誤差放大器對次級電壓進(jìn)行采樣時(shí)，R_ROUTE兩端的電壓降尚未衰減到0 V。 

因此，當(dāng)τ較大時(shí)，必須將此電壓降的影響納入LT8306反饋電阻網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算中。雖然與總模組電壓相比，此電壓降相對較小，但相較于單個(gè)電芯的電壓，此電壓降卻很大。 

因此，使用LT8306設(shè)計(jì)電池充電電路時(shí)，必須將此電壓降納入反饋電阻的計(jì)算中。與數(shù)據(jù)手冊中給出的公式相比，改進(jìn)后的反饋電阻計(jì)算公式為：

而原式為：

RFB = 反饋電阻

V_OUT = 輸出電壓

V_F = 輸出二極管正向電壓

N_PS = 變壓器有效初級/次級匝數(shù)比

VROUTE = R_ROUTE兩端的電壓降 

這種調(diào)整可確保電壓調(diào)節(jié)精準(zhǔn)且運(yùn)行穩(wěn)定，尤其是在電芯充電電流較高的情況下。

圖9.基于本文所提出架構(gòu)（同步整流）的單電芯充電的LTspice仿真 

電池包間的主動均衡設(shè)計(jì)

我們還針對電池包間均衡場景進(jìn)行了LTspice仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。由于核心操作與電芯間均衡非常相似，因此圖10中僅展示了仿真原理圖和關(guān)鍵結(jié)果。 

實(shí)施基于電壓的電池包間均衡策略時(shí)，務(wù)必確保電池模組之間的均衡電流路徑不經(jīng)過電池包的主端子（V+和V-）。這種預(yù)防措施可防止干擾電池包總電壓的測量，無論是直接在V+和V-之間測量，還是通過對電芯1至電芯16的各個(gè)電芯電壓求和來計(jì)算。

圖10.基于本文所提出架構(gòu)的電池包間均衡的LTspice仿真

圖11.不同電池包間均衡連接方法對電池包電壓測量的影響 

圖11展示了不同接線方法對電池包電壓測量精度的影響，而圖12顯示了針對電池包間均衡的建議連接方案。

圖12.電池包間均衡的建議連接方法

BMS控制板

主動電芯均衡的實(shí)現(xiàn)根本上依賴于BMS，更具體地說，依賴于BMS電芯監(jiān)控單元提供的功能。在主動均衡架構(gòu)中，電芯監(jiān)控器發(fā)揮著幾個(gè)重要作用，包括：

1. 實(shí)時(shí)監(jiān)控每個(gè)電芯的狀態(tài)——跟蹤電壓、溫度和保護(hù)限值（如過壓和欠壓狀況）。

2. 開路故障檢測和診斷——確保整個(gè)系統(tǒng)的安全性和可靠性。

3. 均衡開關(guān)控制——充當(dāng)I2C主機(jī)，解譯從MCU通過isoSPI接收到的均衡指令，并將其轉(zhuǎn)發(fā)到I/O擴(kuò)展器芯片，根據(jù)需要管理讀/寫操作。

4. 均衡狀態(tài)管理——通過I2C來處理板載EEPROM運(yùn)行數(shù)據(jù)的讀寫操作。

5. 菊花鏈通信——以菊花鏈配置高效傳輸數(shù)據(jù)，盡量減少MCU的需求量。 

以上只是主動均衡電路中電芯監(jiān)控器眾多功能的一部分，但已然清楚地說明了其所發(fā)揮的關(guān)鍵作用。 

在該架構(gòu)中，ADBMS6830B用作BMS控制單元。這款高性能多電芯電池組監(jiān)控器支持測量多達(dá)16個(gè)串聯(lián)電芯；在全溫度范圍內(nèi)，整個(gè)使用壽命期內(nèi)的總測量誤差(TME)小于2 mV。因此，它能夠?qū)σ丫怆姵匕械乃?/span>16個(gè)電芯進(jìn)行精確、實(shí)時(shí)的電壓監(jiān)控。 

ADBMS6830B的輸入測量范圍為-2 V至+5.5 V，兼容多種電池化學(xué)體系，從高電壓的鋰鎳錳鈷氧化物(NMC)電芯到低電壓的LiFePO₄電芯，可靈活適配不同類型的電池。此外，所有電芯均可通過兩個(gè)獨(dú)立的ADC進(jìn)行同步和冗余采樣，從而確保電壓數(shù)據(jù)高度準(zhǔn)確可靠，使均衡算法有效運(yùn)行。

MCU評估板

在此架構(gòu)中，MAX32670用作主要控制單元。除非另有說明，后續(xù)提及的所有MCU均指MAX32670。它是一款超低功耗、高性價(jià)比且高度可靠的32位微控制器，能夠提供復(fù)雜傳感器和控制任務(wù)所需的處理裕量，非常適合工業(yè)和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。 

在該主動均衡架構(gòu)中，控制邏輯分布在兩個(gè)主要位置：

1. 主機(jī)端控制——PC上運(yùn)行的主動均衡GUI。

2. 嵌入式控制——MCU上執(zhí)行的固件。 

MCU通過UART與主機(jī)GUI通信，并通過SPI與BMS對接；通常采用isoSPI模塊來實(shí)現(xiàn)電氣隔離并提升通信穩(wěn)健性。MCU還利用定時(shí)器和GPIO等內(nèi)部外設(shè)來管理均衡過程中的時(shí)序、狀態(tài)控制和I/O功能。 

目前，該架構(gòu)未設(shè)計(jì)定制MCU板，而是采用MAX32670EVKIT評估板。這種方式可加快開發(fā)速度，固件和驅(qū)動程序代碼可利用SDK編寫和調(diào)試，然后寫入到MCU的閃存中，并與主動均衡GUI一起進(jìn)行驗(yàn)證，從而實(shí)現(xiàn)全功能系統(tǒng)驗(yàn)證，而無需在早期階段使用定制MCU PCB。 

isoSPI隔離通信評估板

在該架構(gòu)中，DC2792B隔離通信評估板（基于LTC6820）用于實(shí)現(xiàn)MCU與電芯監(jiān)控器之間的通信。LTC6820支持兩個(gè)電氣隔離器件之間通過單條雙絞線纜進(jìn)行雙向SPI通信。 

在運(yùn)行過程中，它將MCU的4線SPI信號轉(zhuǎn)換為2線isoSPI脈沖信號，以傳輸?shù)诫娦颈O(jiān)控器，同時(shí)能夠反其道而行，將從電芯監(jiān)控器接收到的isoSPI信號解碼回MCU使用的標(biāo)準(zhǔn)4線SPI信號。 

LTC6820的隔離功能并非強(qiáng)制要求，但它通過在電氣上隔離高壓域和低壓域，顯著提升了系統(tǒng)的可靠性和安全性。這可以保護(hù)電池包、BMS控制電路和MCU硬件，同時(shí)將高壓風(fēng)險(xiǎn)降至最低，從而增強(qiáng)系統(tǒng)開發(fā)人員和最終用戶的安全保障。出于這些原因，強(qiáng)烈建議在該架構(gòu)中使用LTC6820。 

均衡過程中的SOC計(jì)算

該架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了接近恒流的充電和放電過程，有利于電芯均衡，大大簡化了均衡過程中對荷電狀態(tài)(SOC)的估算和監(jiān)控。由于該架構(gòu)在整個(gè)均衡過程中維持接近恒定的電流，因此用戶通常只需要跟蹤三個(gè)關(guān)鍵參數(shù)：均衡持續(xù)時(shí)間、均衡狀態(tài)（充電或放電）和預(yù)測量的均衡電流。利用這些參數(shù)可以獲得近似的SOC估計(jì)值，而無需專用庫侖計(jì)數(shù)器IC。 

當(dāng)然，對于均衡過程中需要更高精度SOC計(jì)算的應(yīng)用，使用庫侖計(jì)仍然是最準(zhǔn)確的方法。 

主動均衡架構(gòu)的物理演示

該架構(gòu)的物理實(shí)現(xiàn)如圖13至圖16所示。這些圖片展示了用于在由16電芯組成的電池包中實(shí)現(xiàn)主動均衡的硬件設(shè)置。

圖13.主動均衡架構(gòu)內(nèi)的主板

圖14.架構(gòu)中有兩個(gè)反激電路：一個(gè)專用于電芯間均衡，另一個(gè)專用于電池包間均衡

圖15. 架構(gòu)中的isoSPI通信板和MCU控制板

圖16.在使用真實(shí)16電芯電池包（每個(gè)電芯的額定容量為40 Ah）的主動均衡實(shí)驗(yàn)中，該架構(gòu)的物理接線和連接圖

第四部分：高效主動均衡背后的算法 

一般而言，主動均衡算法的設(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)。本文將深入剖析電池管理系統(tǒng)(BMS)高效主動均衡設(shè)計(jì)背后的算法。需要注意的是，由于均衡算法與硬件架構(gòu)通常深度集成且需協(xié)同優(yōu)化，本文所討論的算法主要針對本系列文章中介紹的架構(gòu)。即便如此，文中提出的諸多設(shè)計(jì)原則、權(quán)衡考量及實(shí)現(xiàn)思路，仍可為工程師開發(fā)其他主動均衡架構(gòu)的均衡算法提供靈感。 

在本系列文章的前幾部分中，討論重點(diǎn)主要集中在如何選擇合適的集成電路(IC)與元器件，以構(gòu)建主動均衡電路或架構(gòu)。由于均衡算法在主動均衡系統(tǒng)中舉足輕重，因此有必要對其進(jìn)行深入探討。 

因此，本文旨在嘗試開發(fā)一種專門針對本系列所介紹的均衡架構(gòu)的算法。目標(biāo)是提供一套高效、簡潔且易于部署和評估的主動均衡算法參考設(shè)計(jì)，幫助工程師及從業(yè)者快速實(shí)現(xiàn)、測試，并直接觀察ADI解決方案在電池包中的實(shí)際均衡性能。 

話雖如此，有一點(diǎn)值得反復(fù)強(qiáng)調(diào)：盡管本文所提出的均衡算法強(qiáng)調(diào)簡潔性與高效性，但在實(shí)際應(yīng)用中，不存在任何一種單一算法能一勞永逸地應(yīng)對所有電芯不一致場景。任何均衡策略在投入實(shí)際電池系統(tǒng)使用前，都必須經(jīng)過全面的評估與驗(yàn)證。

主動均衡圖形用戶界面軟件

基于本系列之前文章中介紹的主動均衡概念，主動均衡系統(tǒng)的控制代碼主要部署在兩個(gè)位置：嵌入式微控制器(MCU)和基于個(gè)人電腦(PC)的主動均衡圖形用戶界面(GUI)。MCU的作用與功能已在之前的文章中討論過，本部分將重點(diǎn)介紹PC端評估軟件，即主動均衡GUI。 

圖17和圖18展示了本設(shè)計(jì)架構(gòu)中所用GUI界面的截圖。為避免視覺混亂，僅對功能不直觀的部分進(jìn)行了標(biāo)注，以確保清晰明了。 

該GUI既是MCU與電腦之間的通信橋梁，也提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)可視化功能，可顯示電芯電壓、指示每個(gè)電芯的均衡狀態(tài)，并捕獲和記錄系統(tǒng)故障或異常運(yùn)行情況。最重要的是，該GUI集成了自動化主動均衡算法，因而不僅是一款監(jiān)控工具，更是執(zhí)行均衡過程的關(guān)鍵驅(qū)動程序。

圖17.主動均衡GUI：顯示電芯電壓、均衡狀態(tài)和錯(cuò)誤警報(bào)的圖形界面。

圖18.主動均衡GUI：調(diào)試期間用于監(jiān)控MCU與GUI數(shù)據(jù)交互的日志窗口。 

主動均衡算法下的性能表現(xiàn)

本設(shè)計(jì)架構(gòu)支持主動均衡過程的兩種控制模式：手動均衡控制和全自動算法控制。

1.   手動均衡控制

在手動模式下，用戶可直接發(fā)送指令，對單個(gè)電芯進(jìn)行充電、放電或禁用均衡操作。該模式適用于診斷測試，或針對特定電芯執(zhí)行定向均衡干預(yù)與微調(diào)。

2.   自動化主動均衡算法

在自動模式下，操作流程經(jīng)過簡化以提升易用性：將電池包連接至系統(tǒng)、啟動GUI軟件、建立與MCU的串行通信，然后點(diǎn)擊AUTO_ENABLE按鈕。此后，系統(tǒng)將自動使所有16個(gè)電芯達(dá)到相同電壓水平，無需用戶進(jìn)一步干預(yù)。

圖19至圖21展示了在啟用自動化均衡功能的情況下，三種不同運(yùn)行狀態(tài)（充電、放電、空閑）下電芯電壓的收斂過程。測試所用的電池包中包含16個(gè)鎳錳鈷(NMC)鋰離子電芯，每個(gè)電芯的額定容量為40 Ah。

?   充電狀態(tài)：使用最大電流為10 A的充電器為電池包充電，電芯電壓從約3.65 V升至接近4.1 V。

?   放電狀態(tài)：將電池組連接至10 Ω的大功率電阻負(fù)載，電芯電壓從約3.85 V降至約3.65 V。

?   空閑狀態(tài)：電池包處于空閑狀態(tài)，未連接充電器或負(fù)載。 

在所有這三種情況下，測試開始時(shí)均有意使電芯電壓處于不均衡狀態(tài)，以更好地展示主動均衡電路的收斂效果。當(dāng)所有電芯的電壓偏差收斂到閾值范圍內(nèi)（定義為與平均電壓的差值在±3 mV以內(nèi)）時(shí)，自動均衡停止條件被觸發(fā)，實(shí)驗(yàn)隨即終止。 

如圖19至圖21所示，啟用自動化算法后，16個(gè)電芯的電壓收斂到了較窄的容差范圍內(nèi)。由此證明，所提出的架構(gòu)與算法不僅在空閑狀態(tài)下，在充電和放電階段均能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定且有效的均衡。

圖19.電池包以最大電流10 A充電，啟用自動化主動均衡算法。

圖20.電池包通過10 ?大功率電阻放電，啟用自動化主動均衡算法。

圖21.電池包處于空閑狀態(tài)，啟用自動化主動均衡算法。

自動化均衡算法的執(zhí)行邏輯

自動化均衡算法以循環(huán)、順序的方式運(yùn)行：依次對16個(gè)電芯進(jìn)行均衡，之后重復(fù)該過程。它不會嘗試在一次循環(huán)中完全平衡單個(gè)電芯，而是采用輪詢策略，執(zhí)行多次短時(shí)間的均衡周期。這種方式可避免單個(gè)電芯的均衡停留時(shí)間過長，因?yàn)橥Ａ暨^長會降低整體均衡效率，還可能影響電池包安全性。持續(xù)聚焦單個(gè)電芯的均衡，還可能導(dǎo)致其他長時(shí)間空閑的電芯面臨過充或過放風(fēng)險(xiǎn)。通過在所有電芯間分配均衡任務(wù)，電芯電壓偏差能高效收斂至預(yù)設(shè)的停止閾值。 

算法根據(jù)電芯分組，采用兩種互補(bǔ)的均衡方法：

1. 緩沖區(qū)均衡（2-9號電芯）——相對均衡

?   計(jì)算緩沖區(qū)組（2-9號電芯）的平均電壓，記為Avg(2-9)。

?   每個(gè)緩沖區(qū)電芯（2-9號）均以Avg(2-9)為基準(zhǔn)進(jìn)行均衡，而非以電池包整體平均電壓(AvgALL)為基準(zhǔn)。 

2. 獨(dú)立電芯均衡（1號、10-16號電芯）——絕對均衡

?   計(jì)算全部16個(gè)電芯的電池包整體平均電壓，記為AvgALL。

?   每個(gè)獨(dú)立電芯（1號、10-16號）均以AvgALL為基準(zhǔn)進(jìn)行均衡，向該電壓值靠攏。 

無論是緩沖區(qū)電芯還是獨(dú)立電芯，其均衡方向（充電或放電）與均衡時(shí)長，均由各個(gè)電芯電壓偏差的正負(fù)符號和偏差幅度決定。盡管均衡時(shí)長大致與偏差幅度成正比，但不會出現(xiàn)單個(gè)電芯主導(dǎo)整個(gè)均衡過程的情況。算法通過短時(shí)間、迭代式的循環(huán)遍歷所有電芯，確保電壓偏差快速、穩(wěn)定地收斂。 

均衡過程的最終目標(biāo)是讓電池包內(nèi)所有電芯的電壓盡可能接近AvgALL。將算法劃分為“緩沖區(qū)組相對均衡”與“獨(dú)立電芯絕對均衡”，原因是為了提升效率：如果緩沖區(qū)電芯直接以AvgALL為基準(zhǔn)均衡，它們在作為其他電芯的能量儲備庫時(shí)，會反復(fù)經(jīng)歷充放電循環(huán)，導(dǎo)致均衡收斂效率低下。通過相對均衡，先讓緩沖區(qū)電芯電壓與Avg(2-9)對齊，再以緩沖區(qū)整體為獨(dú)立電芯充放電，系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)更快的整體收斂。在一個(gè)完整均衡周期結(jié)束時(shí)，Avg(2-9)與AvgALL可能并非完全一致，但會非常接近，從而確保整個(gè)電池包達(dá)到良好的均衡狀態(tài)。 

為進(jìn)一步提升效率與可靠性，倘若某一電芯的電壓偏差已在容差范圍內(nèi)，或檢測到異常情況，算法會跳過這一電芯，繼續(xù)處理下一個(gè)符合條件的電芯。

架構(gòu)設(shè)計(jì)原理與基于緩沖區(qū)的均衡機(jī)制

細(xì)心的讀者或許會發(fā)現(xiàn)，上述均衡策略與理想的全雙向電芯間均衡拓?fù)浯嬖诓町悺Ｔ蛞荒苛巳唬喝舨灰霕O高的架構(gòu)復(fù)雜度，要在電池包內(nèi)任意兩個(gè)電芯之間實(shí)現(xiàn)真正的直接雙向能量傳輸，在實(shí)際應(yīng)用中并不可行。 

為解決這一難題，該算法借助中間充電緩沖區(qū)實(shí)現(xiàn)間接均衡。具體而言，電池包內(nèi)n個(gè)相鄰的電芯被指定為緩沖區(qū)。這一配置在均衡架構(gòu)圖（圖22）中也有體現(xiàn)，圖中緩沖區(qū)被描繪為由這n個(gè)連續(xù)電芯組成的模塊。 

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)依賴獨(dú)立的外部電源（如大容量12 V或24 V電池）作為緩沖區(qū)，而本架構(gòu)則完全利用電池包內(nèi)部已存儲的能量運(yùn)行。這種方式不僅提高了系統(tǒng)整體效率，還降低了軟硬件的設(shè)計(jì)復(fù)雜度。 

本架構(gòu)與算法中的均衡過程通過兩步式能量傳輸實(shí)現(xiàn)。

1. 電芯到緩沖區(qū)放電：將過充電芯的能量轉(zhuǎn)移至緩沖區(qū)電芯中。

2. 緩沖區(qū)到電池充電：而后將緩沖區(qū)的能量重新分配給欠充電芯。 

這種兩步式流程，在功能上等效于實(shí)現(xiàn)了雙向電芯間均衡，同時(shí)避開了直接一對一傳輸拓?fù)涞墓こ虖?fù)雜度。這種拓?fù)潆m被視為理想的均衡形式，但因其電路復(fù)雜度高、成本高，在大型電池包中往往難以落地。在這種方法中，當(dāng)某個(gè)電芯需要充電時(shí)，所需能量會從緩沖區(qū)電芯中統(tǒng)一獲取；反之，當(dāng)某個(gè)電芯需要放電時(shí)，其多余能量會被均勻重新分配回緩沖區(qū)電芯。

圖22.基于LT8306、LT8309、ADP1612、MAX7312、ADBMS6830和MAX32670的主動均衡電路架構(gòu)圖。

臨時(shí)暫停和重新激活自動均衡的條件

當(dāng)2到9號電芯相對Avg(2-9)的電壓偏差降至設(shè)定閾值（例如±3 mV）以下，且1號、10到16號電芯相對AvgALL的電壓偏差也處于同一閾值內(nèi)時(shí)，自動化均衡過程會臨時(shí)暫停。此時(shí)，Avg(2-9)與AvgALL可能并非完全一致，但會十分接近。滿足這些條件后，算法將轉(zhuǎn)入待機(jī)狀態(tài)，等待下一次均衡觸發(fā)。

自動化均衡算法在激活狀態(tài)下，會持續(xù)輪詢電池系統(tǒng)，判斷是否需要啟動均衡。觸發(fā)條件可由用戶配置，默認(rèn)觸發(fā)邏輯為：當(dāng)16個(gè)電芯中最高電芯電壓與最低電芯電壓的差值超過10 mV時(shí)，啟動均衡。

算法激活后，會持續(xù)運(yùn)行直至滿足暫停條件，隨后停止并等待下一次觸發(fā)事件。如前所述，暫停條件保持不變，此處不再贅述。

為避免均衡過程過度循環(huán)及不必要的能量損耗，在觸發(fā)閾值(10 mV)與暫停閾值(±3 mV)之間設(shè)置了“滯回帶”。這可確保僅當(dāng)電芯出現(xiàn)顯著電壓偏差時(shí)，均衡才會重新激活，從而同時(shí)提升系統(tǒng)效率與使用壽命。

特殊注意事項(xiàng)

由于電芯電壓采樣線束與主動均衡線束共用同一布線，且受本系列之前文章提及的線路電阻(Rroute)及大均衡電流的共同影響，主動均衡過程中會出現(xiàn)電壓降。如圖7至10所示，該電壓降會影響電芯電壓測量的準(zhǔn)確性。因此，必須定期暫停主動均衡，以獲取準(zhǔn)確的電壓讀數(shù)。

?   如果暫停過于頻繁，會降低均衡效率。

?   如果暫停間隔過長，可能導(dǎo)致過度均衡。

在本架構(gòu)中，算法會根據(jù)觀測到的電壓偏差估算所需均衡時(shí)長，例如每5 mV偏差對應(yīng)約1分鐘均衡時(shí)間。達(dá)到計(jì)算出的時(shí)長后，均衡會自動暫停以進(jìn)行準(zhǔn)確的電壓測量，隨后算法將決定下一步操作。

這種自適應(yīng)時(shí)序策略相比固定間隔方式提升了效率，但它依賴于“充放電電流接近恒定”這一前提。在本設(shè)計(jì)中，電流穩(wěn)定性通過直接從電池包獲取緩沖區(qū)電壓而非依賴外部電源來實(shí)現(xiàn)，即便電芯電壓在3.0 V至4.2 V之間變化，也能確保電流接近恒定。

盡管組合使用采樣線束與均衡線束會在均衡期間引入測量誤差，但也帶來了顯著優(yōu)勢：

?   減少線束數(shù)量，簡化布線，節(jié)省印刷電路板(PCB)空間。

?   均衡期間觀測到的電壓降可作為運(yùn)行狀態(tài)指示器，幫助確認(rèn)主動均衡電路是否正常工作。

圖23.主動均衡功能未激活時(shí)，電芯電壓測量值保持穩(wěn)定。

圖24.主動均衡運(yùn)行期間，為特定電芯充電時(shí)對電壓測量的影響。

圖25.主動均衡運(yùn)行期間，為特定電芯放電時(shí)對電壓測量的影響。

圖26.主動均衡運(yùn)行期間，均衡電流對電芯電壓測量的影響：左側(cè)為電芯充電，右側(cè)為電芯放電。

結(jié)語

至此，本系列關(guān)于主動均衡的文章已畫上圓滿句號。顯然，即便我們力求詳盡闡述，要在有限篇幅內(nèi)將這類系統(tǒng)性設(shè)計(jì)的所有細(xì)節(jié)囊括無遺，仍是不小的挑戰(zhàn)。許多錯(cuò)綜復(fù)雜的設(shè)計(jì)要素，尤其是本主動均衡方案中涉及的完整軟件編程內(nèi)容，終究無法在此一一鋪陳。 

本系列文章的核心目標(biāo)，在于點(diǎn)燃對電池主動均衡技術(shù)感興趣的工程師及電子愛好者的探索熱情與創(chuàng)新靈感。我們誠摯鼓勵讀者，或是直接采納文中介紹的設(shè)計(jì)方案，或是以此為基石進(jìn)一步深耕拓展，通過持續(xù)創(chuàng)新，打造出兼具簡潔性與高效性的主動均衡解決方案。