关于电池均衡根因，原理，实现方式及问题

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本文从均衡背后产生的根因，到原理，到具体实现的问题，娓娓道来，作者 陈卓，原创2020年发表《一名汽车电子硬件工程师 》

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为什么要做均衡

由于电池使用工艺和材料的本身有差异，及电池实际使用过程中所处的温度、湿度等环境的不同，电池包内部的单体电池存在SOC差异，这个SOC的差异从直观上的体现就是电池的电压不同。
另外一个重要原因是由于电池自身由于极板活性物质脱落，上下极板之间的电位差，导致电池不可避免的存在一定的自放电。而且因为工艺的不同，自放电率也不一样。
因此可以得出一个结论——电池是有差异的。基于这个前提我们来讨论电池的均衡。
组合在一起的电池就是一个团队，我们得帮“猪队友”；



假设电池包中某个电池的SOC高于其他单体，在充电过程中这节电池会率先充满，导致其他单体还没达到额定容量的时候就停止充电了；同理假设某节电池的SOC低于其他单体，则在放电过程中会首先达到放电的截止电压，从而导致其他单体还有剩余容量无法进行释放；
所以有效的电池均衡不仅能够提高电池包的有效容量，也能在某种程度上提高电池包的寿命，因此我们必须做均衡。

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均衡的原理

均衡电路分为被动均衡和主动均衡。

如果下图，被动均衡，就是把剩余容量多的电池的电量放掉一些，因为放电通过电阻，一般会造成一定的热损耗



主动均衡，就是将电量较多的电池电量充给电量较少的电池里面去，主动均衡系统上看会更省电



可以看到，主动均衡因为没有额外的热损耗，均衡电流可以做大，而被动均衡则是将所有多出的电量通过电阻放掉，会生热，因此被动均衡电流相对较小，均衡的速率低。

目前所新能源乘用车的均衡方式基本都是被动均衡，这是为什么？一个是电池的一致性越来越好，一个就是被动均衡的方案简单，价格便宜；

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均衡电路的实现

早期的设计中，均衡电路就是通过控制MOSFET的开关来实现。



如上图，R1~R6是电池的内阻，因为内阻的存在，当均衡开启的时候，均衡电流会在内阻上形成一定的压降，因此如果在进行均衡的时候去测量电池的电压，测量值会较真实值偏低。因此在进行电压测量的时候，需要在测量的那一时刻关断均衡功能。
因为MOSFET的导通阻抗比较低，在进行均衡的时候MOSFET自身的发热很小，主要的发热都是电阻产生的，因此，芯片厂商将MOSFET集成到芯片内部，降低整体电路成本，如下图


但下图这种方式有一个缺点，每条线上的均衡电阻都是上下两个电池共用的，因此在均衡的时候，无法同时对相邻的两个电池进行均衡，最大能够同时均衡的数量是总数的一半，因此一般称之为奇偶对开的均衡方式。这种均衡方式的优点就是：便宜！因为集成在芯片内部的MOSFET，成本比外置的MOSFET要低。而对比外置MOSFET的方式，一个优点就是能够同时开启所有电池的均衡通道，如果有多个电池需要放电的时候，能够以最快的速度同时进行放电。

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被动均衡实践中遇到的问题

在进行被动均衡的时候，我们的电池采样线是与均衡线共用一条导线通道的，因此会存在一些耦合的情况，我们经常遇到的情况有以下几种：
1、均衡的时候电压采样误差变大
实际调试BMS均衡电路发现，发现一旦开启均衡，电压的采样误差就会变大，后面发现，电池有内阻，当均衡开启的时候，均衡电流流经电池的内阻，会形成一定的压降，导致电池的采样误差变大。因此在设计软件的时候，需要将均衡和采样分时；而如ADI的BMS AFE芯片，芯片支持采样时候通过标志位来关断均衡；
2、均衡电阻发热过大
我们来计算一下这两种方式下均衡电阻产生的热量
以12节BMS为例，假设以单体电池电压4V时均衡电流要求达到100mA这个目标为基准进行评估。假设MOS导通阻抗为0，电池为理想电池。
对于第一种外置MOS的方式，12个通道同时开启均衡的时候，每个通道100mA的电流，均衡电阻就是40Ω。如下图所示的图例就是这种外置MOS的模型，均衡电阻的发热功率为0.1A*0.1A*40Ω=0.4W。12个通道就是4.8W。



对于第二种内置MOS的方式，计算方法需要修改一下，因为12个通道的耦合关系，只能实现奇偶对开，无法将所有通道同时打开，相当于均衡的时间小了一半，又要均衡的效果不变。那么为了达到100mA的均衡电流的目标，在奇通道或者偶通道开启的时候，均衡电流需要增大一倍，那么如下图的模型所示。



奇通道开启的时候，流经电阻的电流为200mA，6个通道一共12个电阻在发热，单个电阻的瞬时功率为0.2A*0.2A*10Ω=0.4W，12个电阻就是4.8W。
可以看到，两种方式的功率一样；
我们来设计我们的电阻散热结构，不管是通过PCB自己散热，还是通过导热胶将电阻的发热导到结构件上辅助散热，都需要做好充足的裕量，保障芯片不过热。

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关于电池均衡，其根本原因在于电池本身的差异以及使用环境的差异导致电池包内单体电池的SOC不同。这种差异若不进行控制，会导致电池性能下降、寿命缩短等问题。因此，进行电池均衡是必要的。电池均衡的原理是通过一定的电路或算法，使电池包内各单体电池的电压和容量保持一致。实现方式主要包括被动均衡和主动均衡两种。被动均衡是通过限制分流电阻或电容进行能量消耗，以达到均衡目的；主动均衡则是通过电路转换，将能量从一个电池单元转移到另一个电池单元。然而，在实际应用中，电池均衡也面临一些问题，如均衡效率不高、均衡电路复杂等。作者提出的观点专业且详实，对于理解和解决电池均衡问题具有重要意义。

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关于电池均衡，其核心在于解决电池包内单体电池的SOC差异及自放电问题。单体电池间因工艺、材料差异及环境因素影响，导致电压不同，这是均衡产生的根本原因。均衡原理主要是通过检测和比较电池电压，利用均衡电路对电压较高的电池进行放电，对电压较低的电池进行充电，从而减小单体电池的SOC差异，保证电池性能的一致性。

电池均衡的实现方式主要有被动均衡和主动均衡两种。被动均衡通过电阻对高电压电池进行放电，能量消耗较大；主动均衡通过DC/DC转换器进行能量转移，效率更高。然而，电池均衡也面临一些问题，如均衡电路复杂性、成本较高以及可能存在的过度均衡损害电池寿命等。

总之，为确保电池性能和安全，电池均衡技术至关重要。针对其存在的问题和挑战，工程师们仍在努力研究优化方案。作者提及的电池差异是核心问题，基于这一点探讨电池均衡，对理解电池管理系统及电动汽车性能具有重要意义。