【導(dǎo)讀】在電池管理系統(tǒng)（BMS）設(shè)計中，均衡能力直接決定著電池包的性能上限與壽命終點。傳統(tǒng)被動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均衡技術(shù)的優(yōu)勢與局限，并探討如何通過創(chuàng)新的拓?fù)淙诤纤悸罚瑯?gòu)建一種在復(fù)雜度與效能間取得最佳平衡的實用解決方案。文章將進一步論證，在大型電池系統(tǒng)中，電池包（PACK）之間的系統(tǒng)級均衡與電芯（Cell）之間的單元級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)計中，均衡能力直接決定著電池包的性能上限與壽命終點。傳統(tǒng)被動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均衡技術(shù)的優(yōu)勢與局限，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用解決方案。文章將進一步論證，在大型電池系統(tǒng)中，電池包（PACK）之間的系統(tǒng)級均衡與電芯（Cell）之間的單元級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
主動均衡設(shè)計的簡潔與高效，絕非華而不實的宣傳噱頭。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，目的是整合它們的優(yōu)勢，形成一種更具實用性、更能實現(xiàn)簡潔與高效設(shè)計的解決方案。最后，我們將強調(diào)，盡管大多數(shù)現(xiàn)有主動均衡設(shè)計主要關(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。事實上，市面上早已存在多種主動均衡解決方案。這里將重點介紹圖1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1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。
圖1.三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1.三種主動均衡解決方案的工作原理和優(yōu)缺點比較
簡化主動均衡：更巧妙的設(shè)計方法
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)計足夠簡潔的同時，維持出色的效率。
重新評估主動均衡的設(shè)計要求
得益于日益先進的電池制造技術(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，電池包中各個電芯的電壓和荷電狀態(tài)(SOC)未必一致。這是因為，新制造的電池不一定會在生產(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)品運送到終端用戶并投入實際使用之前，也會需要一些時間。
在長時間的儲存或運輸期間，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。這個問題并不少見。新的（或相對較新的）電池包經(jīng)過長時間儲存或運輸后，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)過長時間儲存或運輸之后。
因此，對于已儲存或運輸較長時間的電池包或電芯，在投入使用之前，一般建議進行主動或被動均衡處理。
除了儲存和運輸場景之外，還有一個需要注意的情況：隨著電池包運行時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)致電池包在實際運行過程中出現(xiàn)顯著的容量損失和安全風(fēng)險（例如過充和過放）。
主動均衡的兩個關(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)定地運行，同時降低過充和過放的風(fēng)險。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？具體如何實現(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)進一步簡化主動均衡設(shè)計？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，形成一種更具實用性、更能實現(xiàn)簡潔與高效設(shè)計的解決方案。
例如，反激式隔離主動均衡架構(gòu)的特點是效率高，特別是需要在非相鄰電芯之間進行均衡時，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表現(xiàn)出色，控制邏輯更簡單，運行穩(wěn)定且性能強大。
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)計時，務(wù)必在保持高效率的同時，盡量減少變壓器的數(shù)量。對此，容易想到的一個思路是讓電池包內(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?？刂七壿嫼瓦\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)計人員不僅需要考慮使用哪些IC和元件來實現(xiàn)能量傳輸（屬于硬件設(shè)計），還必須密切關(guān)注均衡策略，即主動均衡算法的設(shè)計（屬于系統(tǒng)軟件設(shè)計）。
一般而言，電池均衡算法的設(shè)計取決于所支持的硬件架構(gòu)。因此，在簡化均衡硬件設(shè)計的同時降低算法設(shè)計的復(fù)雜度，仍然是一個必須解決的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。
一種經(jīng)過簡化的主動均衡設(shè)計
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2所示。這種設(shè)計具有一個16電芯的電池包，利用兩個獨立的反激電路和兩個變壓器：一個用于電芯之間的均衡，另一個用于電池包之間的均衡。
在電芯間均衡部分，所有16個電芯共享一個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，實現(xiàn)對相同硬件資源的分時利用。這種設(shè)計既簡單又精巧，避免了不必要的復(fù)雜性，同時保持了高效率和穩(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電池包之間的雙向均衡，顯著增強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立電源（如單獨的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)計則不同，它完全利用電池包內(nèi)部的能量實現(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)計的復(fù)雜度。
關(guān)于簡化的均衡算法設(shè)計，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關(guān)鍵原則：
1. 在電池包內(nèi)實現(xiàn)真正的雙向電芯間均衡會導(dǎo)致設(shè)計過于復(fù)雜，因此這種算法依賴中間充電緩沖區(qū)來實現(xiàn)間接均衡。具體而言，電池包內(nèi)的n個相鄰電芯被指定為緩沖區(qū)。然后通過兩步流程實現(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個緩沖電芯中獲取。
這種方法在簡化硬件架構(gòu)的同時，依然具備高性能均衡能力，在成本、效率與實際應(yīng)用價值之間實現(xiàn)了理想平衡，因而成為先進BMS部署的高度實用且可擴展的解決方案。
圖2.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，多個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電路實現(xiàn)相同的功耗水平非常有挑戰(zhàn)性。即使兩個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IMONITOR電流。隨著時間推移，供電電流的差異會累積，兩個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3。
圖3.電池包之間不匹配情況的示意圖
結(jié)語
本文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用性、更能實現(xiàn)簡潔與高效設(shè)計的解決方案。
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，但在實際應(yīng)用場景下，任何單一設(shè)計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，都必須進行仔細(xì)評估和驗證。
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、局限性和理想應(yīng)用場景。系統(tǒng)設(shè)計人員可以根據(jù)具體需求，靈活選擇合適的解決方案。
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