简单制胜——电池管理系统的主动均衡设计
简单高效，即便不是所有设计人员的共同追求，也是大多数人的目标。本着“简单制胜”的原则，本文针对 电池管理系统 (BMS)，深入探讨了一种简单而高效的主动均衡系统的设计原型。
引言
您是否依然认为电芯的主动均衡方案要么复杂昂贵，要么简单经济但效率低下？其实，这种看法并不全然源于评估者的主观偏见，而更多是基于对市面上各类主动均衡方案所做的客观且公正的分析所得出的判断。
本系列文章分为三个部分：
• 第一部分 探讨电芯容量不匹配和阻抗不匹配对 电池管理系统 (BMS) 电池包的影响。
• 第二部分 介绍市面上几种传统的主动均衡解决方案，并分析为什么过去的设计未能实现简单高效。文中还会讨论为什么电池包之间的均衡与电芯之间的均衡同样重要。
• 第三部分 深入评估一个简单高效的主动均衡原型，包括电路设计、算法、 GUI 和均衡性能。
随着讨论从基础概念逐步进入细致分析，无论是 BMS 和主动均衡领域的专业人士和工程师，还是仅仅因标题而产生兴趣的普通读者，都能从中获得有价值的见解和启示。
第一部分：深入探讨 BMS 中的主动均衡
电芯不匹配对 BMS 电池包的影响
在 BMS 中，多个电芯通常串联连接，形成高压电池包。这种高压电池包能够为多种系统供电，包括电动汽车、高压储能系统和不间断电源。对于这些串联连接的电芯，理想的工作条件是所有电芯具有一致的参数，例如一致的电芯电压、内阻、荷电状态 (SoC) 、健康状态 (SoH) 和工作温度。
实际上，当一批全新电芯刚刚由制造商生产出来时，它们的性能和指标通常是一致的。但在投入实际使用后，随着电芯的老化，负载、环境温度和湿度、充电循环次数等因素会导致电芯性能不可避免地出现差异。
当电芯之间的性能差异较小时，一般不会对电池包的正常运行造成影响，也无需予以特别关注。但一旦电芯之间的性能差异变得足够显著，威胁到电池包的正常运作，就必须解决此问题。在以下章节中，电芯之间的显著性能差异将被称为电芯不匹配。
电芯容量不匹配
如图 1 所示，如果电池包中有几个电芯的容量明显低于其他电芯，则称这几个电芯为弱电芯。在充电和放电过程中，弱电芯都会带来问题。在充电过程中，弱电芯会更快达到满电压，先于其他电芯充满电。然而，电池包由多个电芯串联而成，当弱电芯充满电时，充电电流并不会自动停止。因此，一旦弱电芯充满电，整个电池包的充电过程必须立即停止，以避免过充风险，防止危及弱电芯和整个电池包。
类似地，在放电过程中，弱电芯的电压会更快下降，先于其他电芯更早达到完全放电状态。同样，一旦弱电芯完全放电，整个电池包的放电过程必须立即停止，否则就会有过放电风险，也会带来安全隐患。细心的读者可能很快就意识到，在包含弱电芯的电池包中，整体容量利用率显著降低。若没有电芯均衡，健康的电芯在每次循环中将无法完全充电或完全放电。随着时间推移，电芯经历反复充放电循环，其中弱电芯由于经历更多的循环，往往会出现更快的容量衰减，从而加剧与其他健康电芯之间的不匹配。
图 1. 电池包充电和放电过程中电芯容量不匹配的影响
除了电芯容量，另一个需要高度关注的重要参数是电芯阻抗。与容量不匹配类似，阻抗不匹配是指电池包中一个电芯的阻抗与其他电芯的阻抗明显不同。一些工程师使用电化学阻抗谱分析 (EIS) 方法来测量每个电芯的阻抗，并评估它们的健康状态。健康或相对较新的电芯通常具有较低的阻抗，而老化或不健康的电芯往往具有较高的阻抗。通过以下图示，可以更直观地理解阻抗不匹配对电池包性能的影响。
为了便于讨论，我们将电池包中阻抗明显较高的电芯称为不健康电芯。图 2 直观地展示了这一现象，将电芯在充放电时的行为简化为一个由电容和电阻串联构成的等效电路模型。需要注意的是，这种抽象是为本文的讨论而作出的必要简化。尽管它有助于说明阻抗不匹配的影响，但并不反映真实电芯的实际物理和电气特性。
在充电过程中，内阻较高的不健康电芯在给定的充电电流下，会经历更大的电压降。在这种情况下，如果所有电芯都表现出相同的电压值，不健康电芯存储的电能实际上更少。如图所示，不健康电芯在充电过程中具有较小的 Vcell_actual 值。此外，由于其阻抗造成的功率损耗更高，不健康的功率电芯通常会经受更高的充电温度。
在放电过程中，更高的阻抗导致在给定的放电电流下，电压降更大，功耗更高。因此，不健康电芯的电压和容量下降速度更快，放电温度通常也更高。随着时间推移，经过反复充放电循环，更高的温度和老化效应会进一步加速不健康电芯的阻抗增加，从而加剧电池包内的阻抗不匹配问题。
图 2. 电池包充电和放电过程中电芯阻抗不匹配的影响
通过分析容量不匹配和阻抗不匹配，细心的读者可能注意到，尽管这两种不匹配代表了电芯不均衡的不同方面，但它们最终产生的影响非常相似。无论是容量较低的弱电芯，还是阻抗较高的不健康电芯，它们主要影响的都是电池包的可用容量和工作电压。含有弱电芯或不健康电芯的电池包，其整体容量利用率和安全工作时间会显著减少。此外，这些不匹配的电芯会对电池包内表现良好的电芯的安全性和正常运行构成持续威胁。
基于上文关于电芯不匹配问题的讨论，理解 BMS 中被动和主动均衡的应用就会容易得多。
被动均衡 是一种耗散性方法，通常在充电周期中进行。弱电芯的容量较低，因此在相同的充电电流下，其电压上升得更快。当弱电芯首先达到或接近满电时，多余的电能必须立即耗散掉。虽然这种电能耗散会导致热量产生和热管理挑战，但可以延长健康电芯的充电时间，最终会提升电池包的整体运行时间。被动均衡在 BMS 中广泛采用，大多数电芯监测 IC 都集成了这一功能。
主动均衡 则是通过变压器、电容和电感在电芯之间转移电能。这种方法在充电和放电周期中均有效，能够高效地重新分配电荷。虽然被动均衡和主动均衡各有优缺点（如表 1 所总结），但在实际 BMS 设计中，选择哪种均衡方法并非简单地基于优缺点的直接比较，而是取决于电池系统的容量和规模。
通常，均衡电流设为电芯容量的约 1% 到 5% 。例如，在一个 4 Ah 锂电芯中，如果均衡电荷是容量的 5% ，则需要进行 200 mAh 的均衡。这种情形非常适合被动均衡， BMS 设计人员可实现一个 200 mA 被动均衡电路，在大约一小时内完成电荷耗散，或实现一个 100 mA 电路，在两小时内完成电荷耗散。最终，设计人员可以根据所选的电芯监测 IC 的被动均衡电流能力和电芯容量，制定具有针对性的被动均衡策略。
作为对比，考虑一个 300 Ah 高容量储能电芯， 5% 的均衡电荷相当于 15 Ah 。即便使用 300 mA 的被动均衡电流（已经相当高），也需要 50 多个小时才能完成均衡。实际的均衡时间会更长，因为在单个电芯通道上长时间地持续进行被动均衡会导致过热，并可能损坏 BMS 芯片。因此，主动均衡对于高容量电芯是必不可少的。
例如，如果一个主动均衡电路可以处理 15 A 的电荷转移电流，则 15 Ah 的不均衡可在大约一小时内得到纠正。如果容量为 7.5 A ，则可能需要大约两小时，依此类推。与被动均衡不同，主动均衡不会浪费电能，而是将电能重新分配到其他电芯或电池包，因此能够提升整体能效，同时减轻 BMS 的热管理负担。
表 1. 被动和主动电池均衡的优缺点
被动均衡
主动均衡
优点
1. 尺寸小
2. 成本低
3. 复杂度低且易于控制
4. 延长电池包充电时间
1. 电池充电和放电期间均可有效应用
2. 提升电池包总运行时间和容量利用效率
3. 改善电路系统热管理
4. 实现快速均衡，支持大均衡电流
缺点
1. 多余电能以热量形式耗散（浪费电能且不环保）
2. 均衡电流有限（通常为数十到数百毫安）
3. 在大均衡电流下产生的高热量可能会影响电池和BMS芯片
4. 均衡速度慢，放电期间不太可能使用
1. 需要更多空间，并可能需要使用变压器
2. 变压器可能需要定制
3. 需要更多IC，电路设计和控制逻辑较为复杂
4. 昂贵（并非总是如此，但通常更昂贵）
第二部分：探索适用于 BMS 设计的高效主动均衡解决方案
主动均衡设计的简洁与高效，绝非华而不实的宣传噱头。本文将审视并介绍目前市场上广泛采用的几种主动均衡解决方案。我们将分析每种方法的优缺点，目的是整合它们的优势，形成一种更具实用性、更能实现简洁与高效设计的解决方案。最后，我们将强调，尽管大多数现有主动均衡设计主要关注电芯之间的均衡，但电池包之间的均衡同样重要，不容忽视。
本系列文章的第一部分讨论了主动均衡在 电池管理系统 (BMS) 中的重要性。事实上，市面上早已存在多种主动均衡解决方案。这里将重点介绍图 3 展示的三种常见主动均衡解决方案。限于篇幅，这里无法探讨所有可用解决方案，但本文介绍的三种方案极具代表性。这三种主动均衡解决方案分别基于反激、多电感和开关电容，利用了电路中广泛使用的三种储能元件：变压器、电感和电容。表 2 总结了这三种主动均衡解决方案的工作原理及优缺点。
图 3. 三种最具代表性的主动均衡解决方案架构：反激式（左）、多电感（中）和开关电容（右）
表 2. 三种主动均衡解决方案的工作原理和优缺点比较
反激式
多电感
开关电容
工作原理
反激式电源架构方法支持在由多个电芯组成的模块与单个电芯之间进行单向或双向能量传输。这种方法主要基于隔离式DC-DC拓扑进行能量传输。
对于每n个电芯，需要n-1个电感和2 × (n-1)个开关来传输电能。开关采用脉宽调制(PWM)方式以相对高的频率运行，电流流动和PWM占空比根据公式V/L = di/dt进行控制。通过开关的通断和电感的充放电，电能可以在相邻电芯之间传输。这种方法主要基于非隔离式DC-DC拓扑进行能量传输。
对于每n个电芯，需要n-1个电容和4 × (n-1)个开关来传输电能。通过开关的通断和电容的充放电，电能可以在相邻电芯之间传输。
优点
均衡时间短，均衡效率高；甚至非相邻电芯也可以快速实现电荷转移。
如果仅需要在相邻电芯之间进行电荷转移，则这种方法相对高效；控制机制的复杂度适中。
如果仅需要在相邻电芯之间进行电荷转移，则这种方法相对高效，且控制机制简单。
缺点
很可能需要定制变压器；控制机制相对复杂。
难以在非相邻电芯之间实现电荷转移；非相邻电芯之间的电荷转移路径较长，多次转移必然导致能量损耗增加。
难以在非相邻电芯之间实现电荷转移；非相邻电芯之间的电荷转移路径较长，多次转移必然导致能量损耗增加。此外，利用电容来扩展功率水平时，会面临I2R损耗过大的难题。
如上文所述，传统的主动均衡解决方案要么复杂昂贵，要么简单经济但效率低下。本文探讨的关键问题是如何在确保主动均衡设计足够简洁的同时，维持出色的效率。
得益于日益先进的电池制造技术和严格的质量控制流程，单体电芯的性能，尤其是规格相同且来自同一制造商的电芯的性能，通常高度一致。然而，单体电芯通常不会直接出售给电动汽车 (EV) 或储能系统 (ESS) 市场中的终端用户。相反，专业电池包制造商会将多个规格相同的新电芯组装成中高压电池包，然后将其出售给电动汽车和储能系统制造商这样的终端用户。
由此不难明白，对于新组装的电池包，内部的电芯应具有相似且一致的性能。但需要注意的是，在新电池包首次使用之前，电池包中各个电芯的电压和荷电状态 (SOC) 未必一致。这是因为，新制造的电池不一定会在生产出来后就立即组装成电池包。此外，在电池包完成组装后，产品运送到终端用户并投入实际使用之前，也会需要一些时间。
在长时间的储存或运输期间，无论是对于单体电芯还是组装好的电池包，电芯之间的电压和 SOC 不均衡很容易发生。这个问题并不少见。新的（或相对较新的）电池包经过长时间储存或运输后，如果出现不均衡迹象，并不一定表明电芯性能不匹配。事实上，这些电芯仍可能具有非常相似的特性。务必注意，性能相似并必然意味着电压或 SOC 水平相似，尤其是在经过长时间储存或运输之后。
因此，对于已储存或运输较长时间的电池包或电芯，在投入使用之前，一般建议进行主动或被动均衡处理。
除了储存和运输场景之外，还有一个需要注意的情况：随着电池包运行时间的延长及充放电循环次数的增加，单体电芯之间的性能差异可能较电池包组装初期有所扩大。
随着储能系统容量的持续增长，单体电芯的容量现在已达到 320 Ah 、 600 Ah ，甚至 1000 Ah 。其中， 320 Ah 代表以前的主流容量， 600 Ah 正成为当前标准容量，而 1000 Ah 被视为未来方向，有些制造商已经实现 1000 Ah 高容量电芯的量产能力。
对于不具备主动均衡能力或仅使用被动均衡的大容量电池包，电芯之间的初始微小不均衡随着时间的推移，可能会逐渐演变为显著的不匹配，原因是均衡能力有限，而且长期充放电循环会带来累积效应。最终，这种电芯不匹配可能导致电池包在实际运行过程中出现显著的容量损失和安全风险（例如过充和过放）。
电池包内电芯不匹配问题几乎无法避免，主动均衡因此成为改善性能的必要手段，可实现如下两大功能：
1. 预防功能： 在没有显著不匹配的电池包中，电芯状况良好，性能差异极小。在这种情况下，主动均衡的工作量相对较轻。如果将主动均衡比作监测电芯健康状况的医生，那么它只需定期对电芯进行检查即可。这种简单的监测有助于防止或延迟性能差异的放大，使电芯不匹配的可能性最小化，并有效延长电池包的使用寿命。
2. 纠正功能： 在已经存在较弱或不健康电芯的电池包中，主动均衡可利用灵活性、大均衡电流和快速均衡特性，在较弱、不健康和表现良好的电芯之间重新分配电荷。由此可以有效延长受电芯不匹配影响的电池包的使用寿命，确保电池包安全稳定地运行，同时降低过充和过放的风险。更重要的是，电芯不匹配对电池包容量损失的影响被尽可能降低。在此阶段，主动均衡如同外科医生，努力缓解电芯不匹配问题并延长电池包的使用寿命。
既然上述三种主流的主动均衡解决方案已经在市场上得到广泛应用，为什么还要继续进一步简化主动均衡设计？原因在于，虽然这三种解决方案（及其他未介绍的方法）都已成熟且有效，但它们仍然存在相当大的改进潜力。
本文的主要目标是分析过去的解决方案，综合利用各种主流方法的优势，形成一种更具实用性、更能实现简洁与高效设计的解决方案。
例如，反激式隔离主动均衡架构的特点是效率高，特别是需要在非相邻电芯之间进行均衡时，这种架构的性能明显优于其他方法。另一方面，基于多电感和开关电容的主动均衡方法在均衡相邻电芯时表现出色，控制逻辑更简单，运行稳定且性能强大。
总之，如果期望简化后的解决方案能够实现高均衡效率，则应优先考虑基于反激的均衡电路架构。然而，基于反激的均衡电路通常需要变压器，而使用大量变压器会导致成本增加、系统体积增大，控制逻辑变得更加复杂。因此，当追求简化设计时，务必在保持高效率的同时，尽量减少变压器的数量。对此，容易想到的一个思路是让电池包内的所有电芯共享同一反激电路和变压器。
但是，仅仅简化硬件和减少变压器数量还不够。控制逻辑和运行策略的简化也同样重要。主动均衡是一种系统级解决方案，设计人员不仅需要考虑使用哪些 IC 和元件来实现能量传输（属于硬件设计），还必须密切关注均衡策略，即主动均衡算法的设计（属于系统软件设计）。
一般而言，电池均衡算法的设计取决于所支持的硬件架构。因此，在简化均衡硬件设计的同时降低算法设计的复杂度，仍然是一个必须解决的关键挑战。
基于上文讨论的概念，本文提出了一种简单而高效的主动均衡解决方案，如图 4 所示。这种设计具有一个 16 电芯的电池包，利用两个独立的反激电路和两个变压器：一个用于电芯之间的均衡，另一个用于电池包之间的均衡。
在电芯间均衡部分，所有 16 个电芯共享一个基于反激的主动均衡电源电路。通过开关矩阵选择性地将均衡电路连接到不同电芯，实现对相同硬件资源的分时利用。这种设计既简单又精巧，避免了不必要的复杂性，同时保持了高效率和稳健的性能。因此，这种方法在主动均衡系统设计中表现出显著的优势。
此外，这种解决方案支持单体电芯之间和多个电池包之间的双向均衡，显著增强了跨电池包均衡的有效性。常规解决方案往往依赖外部独立电源（如单独的 12 V 或 24 V 电池）来支持电芯间甚至电池包间的均衡，但这种设计则不同，它完全利用电池包内部的能量实现均衡。这样不仅提高了系统整体效率，还减少了硬件和软件设计的复杂度。
关于简化的均衡算法设计，将在本系列文章的第三部分详细讨论。然而，这种算法有如下两个关键原则：
1. 在电池包内实现真正的双向电芯间均衡会导致设计过于复杂，因此这种算法依赖中间充电缓冲区来实现间接均衡。具体而言，电池包内的 n 个相邻电芯被指定为缓冲区。然后通过两步流程实现均衡：电芯到缓冲区放电，随后是缓冲区到电芯充电，从而有效模拟单体电芯之间的双向电荷转移。
2. 在电芯到缓冲区放电期间，源电芯的能量均匀分配到 n 个缓冲电芯中。而在缓冲区到电芯充电期间，目标电芯所需的能量均匀地从 n 个缓冲电芯中获取。
这种方法在简化硬件架构的同时，依然具备高性能均衡能力，在成本、效率与实际应用价值之间实现了理想平衡，因而成为先进 BMS 部署的高度实用且可扩展的解决方案。