A標(biāo)稱鋰電池的額定電壓僅為4.2V左右，但在諸如EV，便攜式電子產(chǎn)品，筆記本電腦，移動(dòng)電源等應(yīng)用中，我們需要比標(biāo)稱電壓高很多的電壓。這就是為什么設(shè)計(jì)人員將多個(gè)以上的電池串聯(lián)組合以形成更高電壓值的電池組的原因。從上一篇《電動(dòng)汽車電池》文章中我們知道，當(dāng)電池串聯(lián)組合時(shí)，電壓值會相加。例如，當(dāng)四個(gè)4.2V的鋰電池串聯(lián)時(shí)，所得電池組的有效輸出電壓將為16.8V。

可以想象串聯(lián)連接許多單元就像將許多馬安裝在戰(zhàn)車上一樣。只有當(dāng)所有馬匹都以相同的速度運(yùn)行時(shí)，戰(zhàn)車才會以最大的效率被驅(qū)動(dòng)。在四匹馬中，如果一匹馬跑得慢，那么其他三匹馬也必須降低速度，從而降低效率，如果一匹馬跑得快，最終會因?yàn)槔渌ヱR的負(fù)擔(dān)而傷害自己。類似地，當(dāng)四個(gè)電池串聯(lián)連接時(shí)，所有四個(gè)電池的電壓值應(yīng)相等，以最大效率導(dǎo)出電池組。保持所有電池電壓相等的方法稱為電池平衡。在本文中，我們將學(xué)習(xí)有關(guān)電池平衡的更多信息，并簡要介紹如何在硬件和軟件級別使用它們。

為什么需要電池平衡？

電池平衡是一種將每個(gè)人的電壓水平都提高到最低的技術(shù)串聯(lián)連接以形成電池組的電池應(yīng)保持相等，以實(shí)現(xiàn)電池組的最大效率。當(dāng)將不同的電池組合在一起以形成電池組時(shí)，請始終確保它們具有相同的化學(xué)性質(zhì)和電壓值。但是一旦安裝好電池組并對其進(jìn)行充電和放電，由于某些原因我們將在后面討論這些電池單元的電壓值趨于變化。電壓水平的這種變化會導(dǎo)致電池單元失衡，從而導(dǎo)致以下問題之一

熱失控

最糟糕的事情可能發(fā)生的是熱失控。眾所周知，鋰電池對過度充電和過度放電非常敏感。在四個(gè)電池的電池組中，如果一個(gè)電池為3.5V，而另一個(gè)電池為3.2V，則由于所有電池串聯(lián)，電荷將對所有電池一起充電，并且由于其他電池仍在充電，因此會將3.5V電池充電至高于建議的電壓需要充電。

電池退化

當(dāng)鋰電池過度充電時(shí)，甚至略高于鋰電池建議值會降低電池的效率和生命周期。例如，充電電壓從4.2V略微增加到4.25V，會使電池降級30％。因此，如果電池電量平衡不準(zhǔn)確，則即使稍微過度充電也會縮短電池壽命。

電池組充電不完全

電池組中的電池變舊時(shí)，可能沒有幾個(gè)電池比它的相鄰電池更弱。這些星期的細(xì)胞將是一個(gè)巨大的問題，因?yàn)樗鼈儗⒈日５慕】导?xì)胞更快地充電和放電。用串聯(lián)電池為電池組充電時(shí)，即使一個(gè)電池達(dá)到最大電壓，也應(yīng)停止充電過程。這樣，如果電池組中的兩個(gè)電池充滿電，它們將更快地充電，因此剩余的電池將不會被最大充電，如下所示。

不完全使用電池組能量

類似，在電池組放電時(shí)，較弱的電池將比健康電池放電更快電池，它們將比其他電池更快地達(dá)到最小電壓。正如我們在BMS文章中了解到的，即使一個(gè)電池達(dá)到最低電壓，電池組也會與負(fù)載斷開連接。這導(dǎo)致了電池組能量的未使用容量，如下所示。

考慮到上述所有可能的缺點(diǎn)，我們可以得出結(jié)論，要使電池組發(fā)揮最大效率，必須實(shí)行電池平衡。仍然有少數(shù)應(yīng)用程序的初始成本應(yīng)該非常低，并且在那些應(yīng)用程序中可以避免電池更換不是問題，可以避免電池平衡。但是在包括電動(dòng)汽車在內(nèi)的大多數(shù)應(yīng)用中，必須通過電池平衡來從電池組中獲取最大汁液。

是什么原因?qū)е码姵亟M中的電池失衡？

現(xiàn)在我們知道為什么保持電池組中所有電池平衡的重要性了。但是要正確解決這個(gè)問題，我們應(yīng)該知道為什么第一手的單元會變得不平衡。如前所述，當(dāng)通過串聯(lián)放置電池形成電池組時(shí)，請確保所有電池處于相同的電壓水平。因此，新電池組將始終具有平衡的電池單元。但是，由于以下原因，電池組投入使用后，電池會變得不平衡。

SOC不平衡

測量電池的SOC很復(fù)雜；因此，測量電池中單個(gè)電池的SOC非常復(fù)雜。理想的電池平衡技術(shù)應(yīng)匹配相同SOC而不是相同電壓（OCV）電平的電池。但是，由于實(shí)際上不可能在制作電池組時(shí)僅根據(jù)電壓對電池進(jìn)行匹配，因此SOC的變化可能會導(dǎo)致OCV在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候發(fā)生變化。

內(nèi)部電阻變化

很難找到具有相同內(nèi)部電阻（IR）的電池，并且隨著電池壽命的增長，電池的IR也會發(fā)生變化，因此在電池組中并非所有電池都單元將具有相同的IR。眾所周知，IR會影響電池的內(nèi)部阻抗，從而決定流過電池的電流。由于IR變化，流過電池的電流及其電壓也會變化。

溫度

充放電容量電池的溫度還取決于其周圍的溫度。在像電動(dòng)汽車或太陽能電池陣列這樣的大型電池組中，電池單元分布在浪費(fèi)的區(qū)域，電池組之間可能存在溫度差異，導(dǎo)致一個(gè)電池單元的充電或放電速度比其余電池單元快，從而導(dǎo)致電池失衡。

基于上述原因，很明顯，我們不能防止電池在操作過程中變得不平衡。因此，唯一的解決方案是使用一個(gè)外部系統(tǒng)，該系統(tǒng)會在電池不平衡后強(qiáng)制其再次達(dá)到平衡。該系統(tǒng)稱為電池平衡系統(tǒng)。有許多不同類型的硬件和軟件技術(shù)可用于電池電量平衡。讓我們討論一下類型和廣泛使用的技術(shù)。

電池單元平衡的類型

電池平衡技術(shù)可以大致分類分為以下四個(gè)類別。我們將討論每個(gè)類別。

被動(dòng)細(xì)胞平衡

主動(dòng)細(xì)胞平衡

無損失細(xì)胞平衡

Redox Shuttle

1。被動(dòng)單元平衡

被動(dòng)單元平衡是最簡單的方法。它可以在成本和尺寸是主要限制的地方使用。以下是兩種類型的被動(dòng)電池電量平衡。

電荷分流

在這種方法中，虛擬負(fù)載就像電阻器一樣用來釋放多余的電壓并使它與其他電池均衡。這些電阻器稱為旁路電阻器或泄放電阻器。電池組中串聯(lián)的每個(gè)電池都將通過開關(guān)連接其自己的旁路電阻，如下所示。

上面的示例電路顯示了四個(gè)單元，每個(gè)單元通過諸如MOSFET之類的開關(guān)連接到兩個(gè)旁路電阻。 控制器測量所有四個(gè)電池的電壓，并為電壓高于其他電池的電池打開mosfet 。當(dāng)mosfet打開時(shí)，該特定電池開始通過電阻放電。由于我們知道電阻器的值，因此我們可以預(yù)測電池正在消耗多少電荷。與電池并聯(lián)連接的電容器用于過濾開關(guān)期間的電壓尖峰。

此方法效率不高，因?yàn)殡娮柚械臒崃繒纳㈦娔?，并且電路也會考慮開關(guān)損耗。另一個(gè)缺點(diǎn)是，整個(gè)放電電流流經(jīng)mosfet，而mosfet主要內(nèi)置在控制器IC中，因此必須將放電電流限制在較低的值，這會增加放電時(shí)間?？朔巳秉c(diǎn)的一種方法是使用外部開關(guān)增加放電電流，如下所示

內(nèi)部P溝道MOSFET將由控制器觸發(fā)，從而導(dǎo)致電池通過電阻R1和R2放電（I偏置）。選擇R2的值，使得由于放電電流（I-bias）的流動(dòng)而在其兩端產(chǎn)生的電壓降足以觸發(fā)第二個(gè)N溝道MOSFET。此電壓稱為柵極源極電壓（Vgs），偏置MOSFET所需的電流稱為偏置電流（I-bias）。

一旦N溝道MOSFET電流打開后，電流流過平衡電阻 R-Bal 。該電阻的值可以很低，以允許更多的電流通過，從而使電池放電更快。該電流稱為漏極電流（I漏極）。在該電路中，總放電電流是漏極電流和偏置電流的總和。當(dāng)控制器關(guān)閉P溝道MOSFET時(shí)，偏置電流為零，因此電壓Vgs也變?yōu)榱?。這樣會關(guān)閉N溝道MOSFET，使電池再次恢復(fù)理想狀態(tài)。

無源電池平衡IC

即使被動(dòng)平衡技術(shù)效率不高，由于這種簡單性和低成本，因此更為常用。除了設(shè)計(jì)硬件，您還可以使用分別來自線性制造商和德州儀器的著名制造商的LTC6804和BQ77PL900等現(xiàn)成的IC。這些IC可以級聯(lián)以監(jiān)視多個(gè)單元并節(jié)省開發(fā)時(shí)間和成本。

電荷限制

電荷限制方法是所有方法中效率最低的方法。在此，僅考慮電池的安全性和使用壽命，而放棄了效率。在這種方法中，各個(gè)電池單元的電壓將得到連續(xù)監(jiān)控。

在充電過程中，即使一個(gè)電池單元達(dá)到了滿充電電壓，充電也會停止，而其他電池單元將停止充電。同樣，在放電過程中，即使一個(gè)電池達(dá)到最小截止電壓，電池組也會與負(fù)載斷開連接，直到電池組再次充電。

這種方法效率低下，但降低了成本和尺寸要求。因此，它可用于經(jīng)常為電池充電的應(yīng)用。

2。主動(dòng)單元平衡

在被動(dòng)單元平衡中，多余的電荷沒有被利用，因此被認(rèn)為是無效的。在主動(dòng)平衡的情況下，一個(gè)單元的多余電荷會轉(zhuǎn)移到另一個(gè)低電荷的單元，以使其均衡。這是通過利用電荷存儲元件（如電容器和電感器）來實(shí)現(xiàn)的。進(jìn)行主動(dòng)電池平衡的方法有很多，讓我們討論一下常用的方法。

電荷梭（飛行電容器）

該方法利用電容器將電荷從高壓電池轉(zhuǎn)移到低壓電池。電容器通過SPDT開關(guān)連接，最初，開關(guān)將電容器連接到高壓電池，一旦電容器被充電，開關(guān)將其連接到低壓電池，低壓電容器中的電荷流入電池。由于電荷在電池之間穿梭，因此該方法稱為電荷穿梭。下圖應(yīng)該可以幫助您更好地理解。

這些電容器稱為飛跨電容器因?yàn)樵谳d有充電器的低壓電池和高壓電池之間飛行。該方法的缺點(diǎn)是電荷只能在相鄰電池之間轉(zhuǎn)移。另外，由于電容器必須充電然后放電以轉(zhuǎn)移電荷，因此花費(fèi)更多時(shí)間。由于電容器的充電和放電期間會損失能量并且還必須考慮開關(guān)損耗，因此效率也非常低。 下圖顯示了如何將快速電容器連接到電池組中

電感轉(zhuǎn)換器（降壓升壓法）

有源電池平衡的另一種方法是使用電感器和開關(guān)電路。在這種方法中，開關(guān)電路由降壓升壓轉(zhuǎn)換器組成。來自高壓電池的電荷被泵入電感器，然后通過使用降壓升壓轉(zhuǎn)換器放電到低壓電池中。下圖表示一個(gè)只有兩個(gè)單元和一個(gè)降壓升壓轉(zhuǎn)換器的電感式轉(zhuǎn)換器。

在上述電路中，電荷可以通過以以下方式切換MOSFET sw1和sw2，可以將其從單元1轉(zhuǎn)移到單元2。首先，開關(guān)SW1閉合，這將使來自電池1的電荷以電流I-電荷流入電感器。電感器充滿電后，開關(guān)SW1打開，開關(guān)sw2閉合。

現(xiàn)在，充滿電的電感器將反轉(zhuǎn)其極性并開始放電。這次，來自電感器的電荷通過電流I放電流入單元2。電感器完全放電后，開關(guān)sw2打開，開關(guān)sw1閉合以重復(fù)該過程。下面的波形將幫助您獲得清晰的圖像。

在時(shí)間t0期間，開關(guān)sw1閉合（打開）導(dǎo)致電流I charge增大，電感（VL）兩端的電壓增大。然后，一旦電感器在時(shí)間t1充滿電，開關(guān)sw1就會打開（斷開），這會使電感器釋放在上一步中積累的電荷。當(dāng)電感器放電時(shí)，其極性改變，因此電壓VL顯示為負(fù)。放電時(shí)，放電電流（I放電）從最大值減小。所有這些電流進(jìn)入電池2進(jìn)行充電。從時(shí)間t2到t3允許一個(gè)很小的間隔，然后在t3處再次重復(fù)整個(gè)循環(huán)。

該方法還存在一個(gè)主要缺點(diǎn)，即電荷只能從較高的電池傳輸?shù)捷^低的電池。還應(yīng)考慮開關(guān)損耗和二極管壓降。但這比電容器方法更快，更有效。

電感式轉(zhuǎn)換器（基于反激式）

降壓/升壓轉(zhuǎn)換器方法只能將電荷從較高的單元轉(zhuǎn)移到較低的單元。通過使用反激轉(zhuǎn)換器和變壓器可以避免此問題。在反激式轉(zhuǎn)換器中，繞組的初級側(cè)連接到電池組，次級側(cè)連接到電池組的每個(gè)單獨(dú)的電池，如下所示

我們知道電池使用直流電運(yùn)行，直到切換電壓，變壓器才起作用。因此，為了開始充電過程，切換了初級線圈側(cè)Sp上的開關(guān)。這樣便將DC轉(zhuǎn)換為脈沖DC，并激活了變壓器的初級側(cè)。

現(xiàn)在，在次級側(cè)，每個(gè)單元都有自己的開關(guān)和次級線圈。通過切換低壓電池的mosfet，我們可以使特定的線圈充當(dāng)變壓器的次級線圈。這樣，來自初級線圈的電荷被轉(zhuǎn)移到次級線圈。這會導(dǎo)致整個(gè)電池組電壓放電到弱電池中。

此方法的最大優(yōu)點(diǎn)是，可以很容易地從電池組電壓為電池組中的任何弱電池充電而不是特定的電池正在放電。但是由于其中包含一個(gè)變壓器，所以它占用的空間很大，電路的復(fù)雜性也很高。

3。無損平衡

無損平衡是最近開發(fā)的一種方法，可通過減少硬件組件和提供更多軟件控制來減少損失。這也使系統(tǒng)更簡單，更易于設(shè)計(jì)。該方法使用矩陣開關(guān)電路，該電路提供了在充電和放電過程中從電池組中添加或移除電池的功能。下面顯示了一個(gè)用于8個(gè)電池的簡單矩陣切換電路。

在充電過程中，高電壓電池將使用開關(guān)裝置將其從包裝中取出。在上圖中，通過使用開關(guān)將電池5從電池組中取出。將紅線圓視為斷開開關(guān)，將藍(lán)線圓視為閉合開關(guān)。因此，較弱的電池的靜止時(shí)間在充電過程中增加，以便在充電期間使它們平衡。但是必須相應(yīng)地調(diào)整充電電壓。放電期間也可以遵循相同的技術(shù)。

4。氧化還原班車

最終方法不是硬件設(shè)計(jì)人員而是化學(xué)工程師。在鉛酸電池中，我們沒有電池平衡的問題，因?yàn)楫?dāng)鉛酸電池過度充電時(shí)，會引起放氣，從而防止其過度充電。氧化還原穿梭背后的想法是通過改變鋰電池電解質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)，嘗試對鋰電池實(shí)現(xiàn)相同的效果。這種修飾的電解質(zhì)應(yīng)防止電池過度充電。

電池平衡算法

有效的電池平衡技術(shù)應(yīng)結(jié)合使用硬件使用適當(dāng)?shù)乃惴āｋ姵貑卧胶獾乃惴ê芏?，這取決于硬件設(shè)計(jì)。但是類型可以歸結(jié)為兩個(gè)不同的部分。

測量開路電壓（OCV）

最簡單且最常用的方法。在此，對每個(gè)電池測量開路電池電壓，并且電池平衡電路用于均衡串聯(lián)連接的所有電池的電壓值。測量OCV（開路電壓）很簡單，因此該算法的復(fù)雜性更低。

測量充電狀態(tài)（SOC）

在這種方法中，電池的SOC是平衡的。眾所周知，測量電池的SOC是一項(xiàng)復(fù)雜的任務(wù)，因?yàn)槲覀儽仨毧紤]一段時(shí)間內(nèi)電池的電壓和電流值，才能計(jì)算出SOC的值。該算法很復(fù)雜，并用于要求高效率和安全性的地方，例如在航空航天工業(yè)中。

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