为什么要进行电池均衡？如何实现内部均衡与外部均衡？

锂电池组通常由多个电池单元串联组成。由于制造工艺差异和使用过程中的不同因素，各个电池单元的容量、内阻和充放电特性都会有所不同，这会导致在长期使用中，电池组中的单个电池电压发生偏差。如果不对这些电压偏差进行纠正，可能会导致某些电池过充或过放，从而损坏整个电池组。

电池均衡技术通过调整电池电压，使得每个电池单元的电压保持在一致的水平上。均衡可以分为被动均衡和主动均衡两种方式。

被动均衡(Passive Balancing)是一种相对简单且成本较低的电池均衡方式。它的原理是在电池组中的某些电池电压过高时，通过连接一个电阻，将多余的能量以热量的形式耗散掉，使这些电池的电压降低，从而达到均衡的目的。

电阻放电： 在被动均衡电路中，通常在每个电池单元上并联一个电阻。通过控制电路(如MOSFET开关)，当检测到某个电池的电压高于设定值时，开关导通，电阻开始放电，将该电池的多余电能以热能的形式释放出来，使电压降低。

电压检测： 控制电路会持续监测每个电池单元的电压，一旦某个电池的电压回到正常范围(通常是均衡电压)，控制电路会关闭该电阻的放电回路，停止耗能。

内部均衡与外部均衡： 内部均衡是指在电池管理芯片(如TI的BQ76940或BQ76952)内部实现的均衡功能，通常通过内置的MOSFET和电阻进行;外部均衡则需要外部的MOSFET和电阻来完成，通常能够支持更大的均衡电流。

电池组通常被构建为串联或并联的电池阵列。串联的电池单元数量越多，电池组电压越高，而并联的电池单元越多，电池总容量越高(以安培小时额定值或Ahrs表示)。然后，电池容量将决定并联电池的数量，其容量等于并联电池的数目乘以系统运行所需的电池容量。根据电池类型的不同，汽车往往使用96个串联的锂离子电池和24个并联的电池。例如，续航里程为100英里的电动汽车需要20-30kWh的电池，这取决于车辆的重量、预期使用情况和车内各种系统的效率。系统的几个方面将决定电池组电压，包括电动机的总体尺寸和类型、电缆尺寸和隔离要求。多电池组通过向电池组顶部电池的正极端子提供电流来充电。(假设电池包括n个串联的电池单元。)换句话说，电池的电池单元不单独充电。如果你读过Stefano的文章，你就已经知道，在充电结束时，每个电池中剩余的电荷量是不同的;当你反复给电池充电和放电时(在没有平衡的情况下)，这种差异会增加。

我们从充满电的电池开始。电池中包含的所有能量(可用能量)都可以为汽车提供动力。为了避免电池过度放电(因为过度放电会缩短电池寿命并影响安全性)，当第一个电池达到欠压阈值(加上通常取决于保护器的安全裕度)时，必须停止放电。为了避免对锂离子电池过度充电，当第一个电池达到过电压阈值时，必须停止充电。然而，滞后的电池尚未完全充电，电池中留下一些能量无法用于驾驶，因为当第一个电池充满电时，充电必须停止。

换句话说，在第一次充电/放电循环之后，一些能量滞留在电池组中。它永远不能用来给汽车提供动力。随着电池一次又一次地充电和放电，滞留能量增加，从而减少了可用能量。此外，可用能量的损失是绞合能量的两倍，因为绞合能量是不可用的，并且等量的电荷不能注入另一个电池。在足够的充电和放电循环之后，可用能量开始接近零。你如何避免这个问题?平衡!你可以通过将绞合的能量耗散到电阻器上，重新获得电池充电并达到满电的能力来实现电池平衡。

只要所有电池都具有相同的容量，在每个充电周期结束时就不需要完全平衡，因为电荷不平衡的影响是完全可逆的。我在电池电子产品开发过程中看到过一个案例，其中电池的被动平衡部分直到经过多次充电/放电循环后才实现。当平衡系统准备就绪时，可用能量减少了25%以上。然而，在平衡所有电池后，电池组可以充满电，而可用能量的损失最小。

您应该根据应用和热因素选择平衡电流的大小。例如，在24kWh系统(96个串联电池)中，假设电池在其寿命结束时具有小于1%的充电时间差(充电时间的差异随着时间的推移而增加)，66Ah系统将需要补偿660mAh。使用200mA的平衡电流，您可以在3.3小时内平衡该系统，但使用100mA的电流进行平衡需要两倍的时间。

电池均衡至关重要，因为它能确保电池组中的每个单元都得到有效监控并维持在良好的荷电状态(State of Charge, SoC)。这种监控不仅有助于增加电池的循环工作次数，还能为电池提供额外的保护，防止因过度充电或深度放电而导致的损坏。被动均衡通过利用泄放电阻来消耗多余的电荷，从而确保所有电池单元的SoC大致相当。然而，这种方法的缺点是它并不会延长系统的运行时间。通常，采用电阻耗散能量的均衡方式都被归类为被动均衡。

相比之下，主动均衡是一种更为复杂的平衡技术。在充电和放电过程中，它能够重新分配电池单元内的电荷，从而增加电池组中总的可用电荷量，进而延长系统的运行时间。此外，主动均衡还能缩短充电时间并减少均衡时产生的热量。通常，通过能力转移实现电荷平衡的方式都被称为主动均衡。在典型的满容量状态下，电池组处于充电量为90%的状态。长时间将电池保持在接近100%的容量会严重影响其使用寿命。因此，为了保持电池的健康状态，通常会采用放电到30%的策略来防止电池进入深度放电状态。

被动均衡主要依赖于电阻放电方式，将电压较高的电池中的电量以热能的形式释放，从而为其他电池创造更多的充电时间。整个系统的电量受限于容量最小的电池。在充电过程中，锂电池通常设有一个上限保护电压值，一旦某一串电池达到此值，锂电池保护板便会切断充电回路，停止充电。被动均衡的优点在于成本低廉且电路设计相对简单，但其缺点在于仅基于最低电池残余量进行均衡，无法提升残量较少的电池容量，且均衡过程中释放的热量完全浪费。

进行电池均衡的主要原因是为了解决电池组内部单体电池之间的不一致性问题，确保电池组的高效、安全运行。‌

‌电压差异与短板效应‌：在充放电过程中，单体电池之间的电压差异会逐渐增大，导致容量较小的电池(即短板)最先达到其充放电的截止电压，从而限制了整个电池组的充放电能力。这种现象不仅影响电池组的使用效率，还可能导致过充、过放等问题，加速电池老化，缩短电池组的寿命‌1。‌容量不一致与热失控风险‌：电池组内单体电池容量不一致会导致在充放电过程中，容量较大的电池承担更多任务，而容量较小的电池可能因过度充放电而受损。长期下来，这种不均衡会导致电池组内电池性能分化，甚至引发热失控等安全风险‌1。

‌提高电池组的一致性‌：通过均衡技术，可以减小单体电池之间的电压、容量差异，提高电池组的一致性，从而提升电池组的整体性能，避免因个别电池性能下降而导致的整个电池组性能衰退‌12。‌延长电池组的寿命‌：均衡控制可以避免电池组的过充、过放现象，减少电池损伤，延长电池组的整体寿命。这对于降低电池更换成本、提高设备使用效率具有重要意义‌12。‌提升安全性‌：均衡技术可以降低电池组内单体电池之间的电压差异，减少热失控等安全隐患的风险‌12。

主动电池均衡和被动电池均衡都通过监控和匹配每个电池单元的荷电状态来促进电池系统的健康。然而，这两种方法在实施方式上有所不同。被动电池均衡仅在充电期间消耗多余电荷，而主动电池均衡则能在充电和放电期间都对电荷进行重新分配。这使得主动电池均衡不仅延长了系统运行时间，还提高了充电效率。但值得注意的是，主动电池均衡所需的解决方案往往更为复杂，尺寸也相对较大，而被动电池均衡则更注重成本效益。