电池主动均衡技术的应用场景

‌主动均衡技术‌是一种电子技术，主要用于在多个电池或电池组之间实现能量均衡，以提高电池组的性能和寿命。通过监测每个电池的状态，主动均衡系统可以调节电流或功率，使得各个电池的充放电状态保持一致。主动均衡技术的主要目的是保持电池组中每个单体电池的电压在安全范围内，避免过充或过放，从而延长电池的使用寿命并提高其性能‌12。

主动均衡技术的原理

主动均衡技术通过外部电路将电荷从电压较高的单体电池转移到电压较低的单体电池。具体实现方式包括电荷再分配技术和电流注入技术：

‌电荷再分配技术‌：利用MOSFET等电子元件，BMS系统可以精确控制单体电池间的电荷流动，直至所有电池达到平衡状态‌1。

‌电流注入技术‌：通过在需要均衡的单体电池间放置低阻值电阻，并在适当时候通过这些电阻注入电流，直到单体电池的电压匹配为止‌1。

主动均衡技术的应用场景

主动均衡技术广泛应用于需要快速充电和高功率输出的应用中，如电动汽车。在这些应用中，主动均衡技术能够迅速响应电池状态的变化，确保电池组的稳定运行和高效能量管理‌1。此外，主动均衡技术也适用于大容量、高串数的锂电池组应用，能够快速有效地补偿电池组产生的差异，确保电池一致性，延长电池组的使用寿命和平均无故障时间‌3。

一、主动均衡概述

电感变压器是电路中常用的电子元件，用于变换电压和电流。在实际应用中，由于电感变压器的制造精度以及电路布局等因素的影响，往往会导致电感变压器的性能出现不平衡的现象，例如多个电感变压器的漏感比例不同，将会导致电路谐振频率波动、电流不平衡等问题，进而导致电路的效率下降和稳定性降低。

主动均衡技术应运而生，它利用线圈电流和磁场间的关系来调节漏感比例，从而实现电感变压器的主动均衡。

二、主动均衡原理

电感变压器中的磁场是由线圈电流产生的，当电流变化时，磁场强度也会相应变化，从而导致磁感线的位置和方向发生变化。在电感变压器中，漏感是指磁通量没有经过的线圈所产生的磁通量，漏感大小决定了磁场强度的变化，也就决定了电感变压器的性能。

主动均衡技术将一个附加的线圈接在电感变压器的两端，通过改变附加线圈的磁通量来调节电感变压器的漏感比例，从而达到主动均衡的效果。

当电流经过附加线圈时，附加线圈产生的磁场会抵消电感变压器的漏感磁场，从而使漏感比例改变。如果主电路的电流不同，附加线圈中的电流也会不同，因此可以通过改变附加线圈的电流来实现主动均衡。

三、主动均衡的优势

1. 提高效率：当电感变压器经过均衡后，漏感比例相等，从而减小了电路的谐振频率波动，提高了电路的效率。

2. 提高稳定性：由于主动均衡可以抵消电感变压器的不平衡现象，从而避免了电流不平衡导致的电路失效等问题，提高了电路的稳定性和可靠性。

3. 降低成本：主动均衡技术可以替代传统的被动均衡技术，无需使用大量的电解电容器等元器件，降低了电路制造成本。

新能源汽车体系内，无论是混合动力(HEV)还是电动汽车(EV)离不开作为储能介质的动力电池，目前锂离子电池已经占据了汽车动力电池的主导地位，为了实现更长的续航里程，通常需要多节电池串/并联组成电池组使用，考虑到汽车对能量、功率和环境的要求，安全、可靠地使用大型锂离子电池组绝对不是一个简单的任务。因此需要采用适当的电池管理系统，才能充分利用新型锂电池的优势。

1.1主动均衡技术在电动汽车电池管理中的必要性

1.1.1电动汽车电池组系统架构

锂电池储能能力强，但单个电池的电压和电流都太低，不足以满足混合动力电机的需要。为增加电流需将多个电池并联起来，为获得更高的电压，则要把多个电池串联起来。单个锂电池的电压一般介于3.3～3.6V之间。例如，将多达12 个电池串联组成一个电池块(block)输出电压介于30～45V 之间，而混合动力汽车驱动需要336V左右的直流电源电压，因此通常需要8-10个电池块(block)串联起来使用，意味着电动汽车的电池组是数量众多的的单体电池组成(100节以上)。

1.1.2 平衡的必要性

电池组中的单体电池，制造和使用条件的不同，特性是存在差异的。而这些差异，如果在充、放电过程中没有得到应有的控制，将进一步加大，日积月累，可能会明显地减低整个电池组的表现，导致部分电池发生过充、过放电现象，造成电池容量和寿命的急剧下降，降低车辆的续航里程甚至电池组的损坏，统计上表现为电池组中的单个电池单元容量的正态分布的均值左移，且峭度逐渐减小。在经过一段时间的使用后，将会有一小部分电池单元的有效容量接近于零，导致失效。因此，为了提高整个电池组的寿命，如何均衡这些老化较快的电池单元也是电池管理系统设计者需要考虑的一个重要课题。

1.1.3 电池的工作电压范围

电池一旦电压超出允许范围，锂电池很容易被损坏(见图1.1.3)。如果超出电压的上限和下限(例如，nanophosphate锂电池的电压上限和下限分别为3.6V和2V)，电池就可能会受到不可逆的损坏，至少也会增加电池的自放电率。在相当宽的荷电状态范围内，输出电压可以保持稳定，因此正常情况下超出安全范围的可能性比较小。但是，在接近安全范围上限和下限的区域，变化曲线非常陡峭。作为预防措施，仔细监测电压水平非常必要。

图1.1.3：锂电池(nanophosphate型)的放电特性。

当电池电压接近临界值时，必须立即停止放电或充电。平衡电路的功能就是调节相应电池的电压，使其保持在安全区域。为了达到这个目的，当电池组中任一电池的电压与其他电池不同时，就必须将能量在电池之间进行转移。

1.2 采用基于变压器主动均衡方案的优势

1.2.1 被动均衡法

在传统被动均衡的电池管理系统中，每个电池单元都通过一个开关连接到一个负载电阻。这种被动电路可以对个别被选中的单元放电。该方法只适用于在充电模式下抑制最强电池单元的电压攀升。被动均衡方式的优点是电路结构简单，成本较低。但是其缺点也很明显，它只能做充电均衡。同时，在充电均衡过程中，多余的能量是作为热量释放掉的，使得整个系统的效率低、功耗高。有些场合为限制功耗，电路一般只允许以100mA左右的小电流放电，从而导致充电平衡耗时可高达几小时。

图1.2.1：被动均衡典型电路结构。

1.2.2 基于变压器的主动平衡法：

相关资料中有很多种主动平衡法，均需要一个用于转移能量的存储元件。如果用电容来做存储元件，将其与所有电池单元相连就需要庞大的开关阵列。

更有效的方法是将基于电感设计的主动平衡电路。关键元件是一个变压器，其作用是实现能量在单体电池之间转移，该电路是按照反激变压器原理构造的。该变压器两侧分别做了如下连接：

a. 初级线圈与整个电池组相连

b. 次级线圈与每个电池单元相连

该方案可以完整地实现在充电和放电时的实时均衡，发挥出每节电池的潜力。保证充电时每节电池都能够充满，放电时每节电池都能放至最低的极限，充放电过程中每节电池也能够保持相同的电压，使电池组的每个节电池的能力能得到最充分的发挥。

1.2.3采用基于变压器主动均衡方案的优势

1)可以实现底部均衡

相对被动平衡，不仅提供低顶部均衡，也可以实现底部均衡，当某节电池电压过低时，通过接在电池组上的绕组可以把电池组的能量转移到该节电池上，提高的系统能量的利用率

2)系统效率高损耗低

控制系统在在不进行充放电时，静态电流小于2μA。充电或放电时系统均衡电路自动开启，控制部分的总功耗小于1 W。均衡电流的有效值达到5 A 以上，峰值达到20 A。通过放电和充电过程中的实际均衡功率测试看，该方案转移能量的利用效率都达到了85% 以上。其余15% 的能量，除了供给电路部分(单片机，电源芯片等)外，只有少部分是消耗在变压器、MOSFET 和线路内阻中的。

2 均衡方法

采用一个反激式变压器作为核心，通过磁场与电场的转换，实现能量在单个电池单元与整个电池组间双向传递。当某节电池电压过高时，可以通过并接在该电池上的绕组将多余的能量转移到整个电池组上去，这个过程我们称之为顶部均衡法。当某节电池电压过低时，通过接在电池组上的绕组可以把电池组的能量转移到该节电池上，这个过程我们称之为底部均衡法。

2.1 顶部均衡

如果某个电池单元的电压高于其他单元，那么就需要将其中的能量导出，这在充电模式下尤其必要。如果不进行均衡，充电过程在第一块电池单元充满之后就不得不立即停止。均衡可以保持所有电池单元的电压相等而避免发生过早停止充电的情况。图2.1给出了顶部平衡模式下的能量流动情况。在电压扫描之后，发现电池单元5 是整个电池组中电压最高的单元。此时闭合开关sec5，电流从电池流向变压器。在开关sec5 断开后闭合主开关，此时，变压器就从储能模式进入了能量输出模式。能量通过初级线圈送入整个电池组。

2.2 底部均衡

底部均衡法中的电流和时序条件与顶部均衡法非常类似，只是顺序和电流的方向与顶部均衡法相反。扫描发现电池单元2 是最弱的单元，必须对其进行补充充电。此时闭合主开关“( prim”)，电池组开始对变压器充电。主开关断开后，变压器存储的能量就可以转移至选定的电池单元。相应的次级“( sec”)开关在本例中是开关sec2 闭合后，就开始能量转移。尤其是当某个电池单元的电压已经达到SoC 的下限时，底部平衡法能够帮助延长整个电池组的工作时间。只要电池组提供的电流低于平均平衡电流就能持续放电，直到最后一块电池单元也被耗尽。

2. 3 电池组间均衡法

如图2.3所示，闭合其中一个电池组的电子开关SP1 和SP2，就可以对最左边的绕组的初级进行充电，之后关闭SP1和SP2，就可以把能量放入总电池组中。这样就可以实现更多电池单体的串联。

2.4 电压检测

为了对每个电池的荷电状态进行管理，每个电池的电压都要加以测量。由于只有1号电池处于微控制器模数转换范围内，因此不能直接测量电池块中其他电池的电压。一种可能的方案是采用差分放大器阵列，但这需要保持整个电池块的电压水平。

下面提出一种只需添加少量硬件就可以检测所有电池电压的方法。变压器的主要作用是电荷平衡，但同时我们也可将它作为多路复用器使用。在电压检测模式下，变压器的反激模式没有被使用。当S1至SN开关中的某一个闭合时，所接通的电池的电压被传输至变压器的所有绕组。经过一个分立滤波器简单的预处理，检测信号被输入至微控制器ADC输入管脚。S1至SN中的任一开关闭合时所产生的检测脉冲的持续时间非常短暂，实际的导通时间可能只有4μs，因此变压器中存储的能量并不多。当该开关断开后，磁场中存储的能量将通过主晶体管馈回整个电池块，因此电池块的能量不受影响。对全部电池扫描一遍后，一个扫描周期结束，系统回到初始状态。也就读取了电池组中每一节电池的电压信号。