锂电池各种电芯均衡方法-主动、被动，无损均衡

作者: Aswinth Raj, 由DIY百事整理

电芯平衡技术及其使用方法

锂电池的额定电压为 4.2V ，但在电动汽车、便携式电子产品、笔记本电脑、移动电源等应用中，我们需要比其标称电压高得多的电压。这就是为什么设计人员将多个电池串联起来形成更高电压值的电池组的原因。当电池串联组合时，电压值会相加。例如，当四个 4.2V 的锂电池串联时，所得电池组的有效输出电压将为 16.8V。

但是你可以想象将许多电芯串联起来就像将许多马安装在一辆战车上。只有当所有的马都以相同的速度奔跑时，才能以最高的效率驾驶战车。四匹马中如果一匹马跑得慢，那么其他三匹马也必须降低速度，从而降低效率，如果一匹马跑得快，最终会拉伤其他三匹马的负荷。类似地，当四个电池串联时，所有四个电池的电压值应该相等，以获得具有最大效率的电池组。保持所有电池电压相等的方法称为电池平衡。在本文中，我们将了解有关电池均衡的更多信息，并简要介绍如何在硬件和软件级别使用它们。

电池均衡是一种技术，其中串联连接以形成电池组的每个单独电池的电压水平保持相等，以实现电池组的最大效率。当不同的电池组合在一起形成一个电池组时，总是要确保它们具有相同的化学成分和电压值。但是，一旦安装好电池组并进行充电和放电，由于某些原因，各个电池的电压值往往会发生变化，我们将在后面讨论。电压的这种变化会导致电池不平衡，从而引起以下问题

可能发生的最糟糕的事情是热失控。众所周知，锂电池对过度充电和过度放电非常敏感。在一组四节电池中，如果一个电池为 3.5V 而另一个为 3.2V，则由于它们是串联的，因此充电会将所有电池一起充电，并且由于其他电池仍在充电，因此会将 3.5V 电池充电至超过额定值从而造成过冲。

电芯性能下降

当锂电池过度充电至高于其推荐值时，电池的效率和循环寿命都会降低。例如，充电电压从 4.2V 略微增加至 4.25V 会使电池性能下降 30%。因此，如果电池均衡不准确，即使是轻微的过度充电也会缩短电池寿命。

电池包充电不完全

随着电池组中的电池变旧，少数电池可能会比其相邻电池弱。这样的电池将是一个大问题，因为它们的充电和放电速度比正常的健康电池快。用串联法为电池组充电时，即使一个电池达到最大电压，也应停止充电过程。这样，如果电池组中的两节电池变差，它们的充电速度会更快，因此剩余的电池不会被充电到最大值，如下所示。

电池包放电不完全

类似地，在电池组放电的相同情况下，较弱的电池会比健康电池更快地放电，并且它们会比其他电池更快地达到最低电压。正如我们在BMS 文章中了解到的，即使一个电池达到最低电压，电池组也会与负载断开连接。这会导致电池组未充分使用容量，如下所示。

考虑到上述所有可能的缺点，我们可以得出结论，为了最大限度地利用电池组，电池均衡很有必要。当然，有些应用，它的初始成本非常低，电池更换不是问题，在这些应用中可以省略电池均衡功能。但在包括电动汽车在内的大多数应用中，为了从电池组中获得最大电量，电池均衡是必要的。

是什么导致电池组中的电池不均衡？

现在我们知道了电池均衡的重要性。为了解决这个问题，我们首先应该知道为什么电芯会变得不均衡。

SOC（state of charge-充电状态）不均衡

测量电池的 SOC 很复杂；因此，测量电池中单个电池的 SOC 非常复杂。理想的电池均衡技术应匹配具有相同 SOC 而不是相同电压 (OCV) 水平的电池。但由于实际上不可能在制造电池组时仅根据电压条件匹配电池，因此 SOC 的变化可能会在适当的时候导致 OCV 的变化。

内阻（IR)变化

很难找到具有相同内阻 (IR) 的电池，并且随着电池老化，电池的 IR 也会发生变化，因此在电池组中并非所有电池都具有相同的 IR。由于 IR 发生变化，因此通过电池的压降也会发生变化。

温度

电池的充电和放电容量还取决于它周围的温度。在电动汽车或太阳能电池阵列等大型电池组中，电池分布在闲散区域，电池组之间可能存在温差，导致一块电池的充电或放电速度比别的区域的电池快，从而导致不均衡。

从以上原因可以看出，我们无法防止电芯在运行过程中出现不均衡。因此，唯一的解决方案是使用一个外部系统来强制电芯在它们失衡后再次达到均衡。该系统称为电池均衡系统。有许多不同类型的硬件和软件技术用于电池单元均衡。让我们讨论一下它的类型和广泛使用的技术。

电池单元均衡的类型

电池均衡技术可大致分为以下四类。我们将讨论每个类别。

1. 被动电池均衡

被动电池均衡方法是最简单的方法。它可以用于成本和尺寸是主要限制条件的地方。以下是两种类型的被动电池均衡。

电量分流

在这种方法中，像电阻器这样的假负载用于释放过电压并与其他电池均衡。这些电阻器称为旁路电阻器或泄放电阻器。串联在一个电池组中的每个电池都将通过一个开关连接自己的旁路电阻，如下所示。

上面的示例电路显示了四个电芯，每个单元都通过类似 MOSFET 的开关连接到两个旁路电阻。控制器测量所有四个电芯的电压，并为电压高于其他的电芯打开 MOSFET。当 mosfet 开启时，该特定单元开始通过电阻器放电。由于我们知道电阻器的值，​我们可以预测电池消耗了多少电量。与电池并联的电容器用于过滤开关电路时的电压尖峰。

这种方法效率不高，因为电能在电阻器中以热量的形式耗散，外加部分开关损耗。另一个缺点是整个放电电流流过主要内置在控制器 IC 中的 mosfet，因此必须将放电电流限制在较低的值，这会增加放电时间。克服该缺点的一种方法是使用外部开关来增加放电电流，如下所示

内部 P 沟道 MOSFET 将由控制器触发，从而使电池通过电阻器 R1 和 R2 放电（I-bias）。选择 R2 的值，使得由于放电电流 (I-bias) 的流动而产生的电压降足以触发第二个 N 沟道 MOSFET。该电压称为栅源电压 (Vgs)，偏置 MOSFET 所需的电流称为偏置电流 (I-bias)。

一旦 N 沟道 MOSFET 开启，电流就会流过均衡电阻R-Bal。这个电阻的值可以很低，允许更多的电流通过它，从而更快地为电池放电。该电流称为漏极电流（I-drain）。在该电路中，总放电电流是漏极电流和偏置电流之和。当控制器关闭 P 沟道 MOSFET 时，偏置电流为零，因此电压 Vgs 也为零。这会关闭 N 沟道 MOSFET，让电池再次变得理想。

无源电池均衡 IC

尽管被动均衡技术效率不高，但由于简单和低成本，它更常用。除了设计硬件之外，您还可以使用一些现成的 IC，例如分别来自 Linear 和 Texas Instruments 等知名制造商的LTC6804和BQ77PL900。这些 IC 可以级联以监控多个电池并节省开发时间和成本。

充电限制

充电限制法是所有方法中效率最低的。这里只考虑电池的安全性和寿命，而放弃了效率。在这种方法中，单个电池的电压被连续监测。

在充电过程中，即使一个电池达到完全充电电压，充电也会停止，而其他电池可能只充了一半。类似地，在放电期间，即使一个电池达到最小截止电压，电池组也会与负载断开连接，直到电池组再次充电。

虽然这种方法效率低下，但它降低了成本和尺寸要求。因此，它用于经常为电池充电的应用中。

2. 主动电池均衡

在被动电池均衡中，多余的电量没有被利用，因此被认为是低效的。而在主动均衡中，一个电池的多余电量被转移到另一个低电量电池以均衡它们。这是通过利用电容器和电感器等电量存储元件来实现的。有许多方法可以执行主动电池均衡，让我们讨论常用的方法。

交叉充电（飞跨电容器）

该方法利用电容器将电量从高压电池转移到低压电池。电容器通过 SPDT 开关连接，最初开关将电容器连接到高压电池，一旦电容器充完电，开关将其连接到低压电池，其中来自电容器的电量流入电池。由于电量在电池之间穿梭，这种方法称为电量穿梭。下图应该可以帮助您更好地理解。

这些电容器被称为飞跨电容器 ，因为在带有充电器的低压和高压电池之间飞行。这种方法的缺点是电量只能在相邻电池之间转移。此外，由于电容器必须充电然后放电以转移电量，因此需要更多时间。它的效率也非常低，因为在电容器的充电和放电过程中会有能量损失，并且还必须考虑开关损失。下图显示了飞跨电容器如何连接到电池组中

电感式转换器（Buck Boost 方法）

有源电池均衡的另一种方法是使用电感器和开关电路。在这种方法中，开关电路由一个降压升压转换器组成。来自高压电池的电量被泵入电感器，然后通过降压升压转换器释放到低压电池中 。下图表示只有两个单元和单个降压升压转换器的电感转换器。

在上述电路中，可以通过以下方式切换 MOSFET sw1 和 sw2，将电量从电池 1 转移到电池 2。首先，开关 SW1 闭合，这将使来自电池 1 的电量以电流 I-charge 流入电感器。一旦电感器充满电，开关 SW1 断开，开关 sw2 闭合。

现在，充满电的电感器将反转其极性并开始放电。这一次，来自电感器的电量随着电流 I-discharge 流入 cell2。一旦电感器完全放电，开关 sw2 就打开，开关 sw1 闭合以重复该过程。下面的波形将帮助您获得清晰的图像。

在时间 t0 期间，开关 sw1 闭合（导通），这导致电流 I charge 增加，电感器两端的电压 (VL) 增加。然后，一旦电感器在时间 t1 完全充电，开关 sw1 就会打开（关闭），这使得电感器释放它在上一步中积累的电量。当电感器放电时，它会改变其极性，因此电压 VL 显示为负值。放电时放电电流（I 放电）从其最大值减小。所有这些电流都进入电池 2 充电。从时间 t2 到 t3 允许有一个小的间隔，然后在 t3 再次重复整个循环。

这种方法也有一个主要缺点，即电量只能从较高的电池转移到较低的电池。还应考虑开关损耗和二极管压降。但它比电容器方法更快、更有效。

电感式转换器（基于反激式）

正如我们所讨论的，降压升压转换器方法只能将电量从较高的单元转移到较低的单元。这个问题可以通过使用反激转换器和变压器来避免。在反激式转换器中，绕组的初级侧连接到电池组，次级侧连接到电池组的每个单独的电池，如下所示

正如我们所知，电池使用直流电运行，在切换电压之前，变压器将不起作用。因此，为了开始充电过程，初级线圈侧 Sp 上的开关被切换。这会将直流转换为脉冲直流，并激活变压器初级侧。

现在在次级侧，每个电池都有自己的开关和次级线圈。通过切换低压电池的 MOSFET，我们可以使该特定线圈充当变压器的次级。这样，来自初级线圈的电量被转移到次级线圈。这会导致整个电池组电压向弱电池放电。

这种方法的最大优点是电池组中的任何弱电池都可以轻松地从电池组电压中获电， 而不是特定电池放电。但由于涉及变压器，占用空间大，电路复杂度高。

3.无损均衡

无损均衡是最近开发的一种方法，它通过减少硬件组件和提供更多的软件控制来减少损耗。这也使系统更简单，更容易设计。该方法使用矩阵开关电路，该电路提供在充电和放电期间从电池组中添加或移除电池的能力。下面显示了一个用于八个单元的简单矩阵开关电路。

在充电过程中，高压电池将使用开关装置从电池组中取出。在上图中，使用开关从电池组中取出电池 5。考虑红线圆圈是打开的开关，蓝线圆圈是闭合的开关。从而在充电过程中增加较弱电池的充电时间，以在充电过程中均衡它们。但充电电压必须相应调整。在放电期间也可以遵循相同的技术。

4. 氧化还原切换

最后一种方法不是针对硬件设计师，而是针对化学工程师。在铅酸电池中，我们没有电池均衡的问题，因为当铅酸电池过度充电时会产生气体，从而防止其过度充电。氧化还原切换背后的想法是尝试通过改变锂电池电解质的化学成分来对锂电池产生同样的效果。这种改良的电解质应该可以防止电池过度充电。

单元均衡算法

有效的电池均衡技术应将硬件与适当的算法相结合。有许多用于电池均衡的算法，这取决于硬件设计。但是这些类型可以归结为两个不同的部分。

测量开路电压 (OCV)

这是最简单且最常用的方法。这里测量每个电池的开路电池电压，电池均衡电路用于均衡所有串联电池的电压值。测量 OCV（开路电压）很简单，因此该算法的复杂性较低。

测量充电状态 (SOC)

在这种方法中，电池的 SOC 是均衡的。正如我们已经知道的那样，测量电池的 SOC 是一项复杂的任务，因为我们必须考虑一段时间内电池的电压和电流值来计算 SOC 的值。该算法很复杂，用于需要高效和安全的地方，如航空航天工业。

几种锂电池均衡电路的工作原理分享

新能源和电动汽车的发展，都会用到能量密度比较高的锂电池。而锂电池串联使用过程中，为了保证电池电压的一致性，必然会用到电压均衡电路。今天跟大家一起分享一下，我在工作中用过几种电池的均衡电路，希望对大家有所帮助。

最简单的均衡电路就是负载消耗型均衡，也就是在每节电池上并联一个电阻，串联一个开关做控制。当某节电池电压过高时，打开开关，充电电流通过电阻分流，这样电压高的电池充电电流小，电压低的电池充电电流大，通过这种方式来实现电池电压的均衡。

但这种方式只能适用于小容量电池，对于大容量电池来说是不现实的。

负载消耗性均衡的示意图

第二种均衡方法我没有实验过，就是飞渡电容法。简单的说就是每一节电池并联一个电容，通过开关这个电容既可以并联到本身这节电池上，也可以并联到相邻的电池。

当某节电池电压过高，首先将电容与电池并联，电容电压与电池一致，然后将电容切换到相邻的电池，电容给电池放电。实现能量的转移。

由于电容并不消耗能量，所以可以实现能量的无损转移。但这种方式太繁琐了，现在的动力电池动不动几十节串联，要是采用这种方式，需要很多开关来控制。

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飞渡电容法工作原理图，只是画出相邻两节电池的均衡原理图。

第一次做均衡，是做的一款动力电池组的充电，电池容量 80ah 的两组并联，要求均衡电流为 10a。原来了解的一点均衡的原理根本不够用，这么大电流都相当于一个一个的小模块了，最后还真的是采用 n 个小模块串联，每节电池并联一个小模块，如果单体电池电压低于设定值，启动相应的并联模块，对低电压电池启动充电，补充能量提升电压，实现均衡。

下图为当时采用的均衡电路的示意图，DC-DC 输入母线既可以是电池电压，也可以是别的模块提供的直流输入，根据需要灵活配置。

主动均衡方法可以采用我前面提到的一个变压器多路输出的方法。

如果你想利用下面的电路示意图，做一个多路输出的反激电源，利用各个模块的输出电压来对电池实现均衡，我估计你需要很深的功力才可以，因为单单交叉调整率这一项就很难。但是，利用这个电路，我们可以换一下思路，各路输出不需要稳压，当然为了防止开路损坏输出电容，我们可以做一个简单的原边反馈。然后在每路输出到电池之间串联一个电子开关，由于这种均衡是配合电池管理系统一起工作的，因此每路输出只要串联一个电子开关，由管理单元控制即可，哪路电压地我们就可以打开这个电子开关，有电源输出给该节电池充电，直到所有单体电池电压达到我们的期望值。

采用这种均衡方法，曾经做过 1000AH，7串电池及 300AH，80串电池的均衡，均衡完成后，所有单体电池电压可以达到 5mV 以内。

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多绕组变压器法结构图

主动均衡也可以采用能量转移的方法。所谓能量转移，既可以是从整组电压取能量向低电压补充，也可以是从将电压过高的电池取能量向整组电压反馈。

我在一款通讯电源电源系统中用过第二种方式实现过电池均衡。电路原理图如下：

当时做的是16串锂电池的均衡，分成了两组，每组8只电池串联，这里只画了6只描述工作原理。

如果电池 B5 电压过高，控制 Q5 以 PWM 模式工作，当 Q5 开通，电感 L5 储能；当 Q5 关闭，电感储存的能量就会通过 D5 给电池 B1-B4 充电，降低 B5 电池电压抬高其余电池电压，利用同样的原理可以分析其余电池组电压过高时候的工作过程。

在试验过程中，两组之间各自采用这种方式均衡。当两组之间出现偏差的时候，就可以采用双向 DC-DC 进行能量转换了，这样采用的模块数量较少，设计比较方便。

我当时没有采用双向 DC-DC，而是简单的采用能量消耗性做两组之间电池的均衡。从最终的试验效果来看，电池均衡还是比较不错的。

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其实，随着动力电池的应用发展，不仅均衡，电池过充过放的保护，也就是我们常说的保护板的应用也会越来越广阔。我们知道原来的18650电芯，十几串的保护板用 ic 很常见，实现短路、过充保护、过放保护。但如果是几十串的电芯呢，不知道有没有接触过这方面资料的网友，可以一起交流下。

这就是截止目前为止，我试验过的四种电池均衡的方式，均衡的电池从 2AH 到 1000AH，串联的节数从7串到120串。

个人感觉如下：

1. 对于 10AH 以内的电池组，采用能量消耗型可能是比较好的选择，控制简单。

2. 对于几十 AH 的电池组来说，采用一拖多的反激变压器，结合电池采样部分来做电池均衡应该是可行的。

3. 对于上百 AH 的电池组来说，可能采用独立的充电模块会好一些，因为上百 AH 的电池，均衡电流都在10多 A 左右，如果串联节数再多一些，均衡功率都很大，引线到电池外，采用外部 DC-DC 或 AC-DC 均衡也许更安全。

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