A標稱鋰電池的額定電壓僅為4.2V左右，但在諸如EV，便攜式電子產品，筆記本電腦，移動電源等應用中，我們需要比標稱電壓高很多的電壓。這就是為什么設計人員將多個以上的電池串聯組合以形成更高電壓值的電池組的原因。從上一篇《電動汽車電池》文章中我們知道，當電池串聯組合時，電壓值會相加。例如，當四個4.2V的鋰電池串聯時，所得電池組的有效輸出電壓將為16.8V。

可以想象串聯連接許多單元就像將許多馬安裝在戰車上一樣。只有當所有馬匹都以相同的速度運行時，戰車才會以最大的效率被驅動。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，最終會因為拉其他三匹馬的負擔而傷害自己。類似地，當四個電池串聯連接時，所有四個電池的電壓值應相等，以最大效率導出電池組。保持所有電池電壓相等的方法稱為電池平衡。在本文中，我們將學習有關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人的電壓水平都提高到最低的技術串聯連接以形成電池組的電池應保持相等，以實現電池組的最大效率。當將不同的電池組合在一起以形成電池組時，請始終確保它們具有相同的化學性質和電壓值。但是一旦安裝好電池組并對其進行充電和放電，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致電池單元失衡，從而導致以下問題之一

熱失控

最糟糕的事情可能發生的是熱失控。眾所周知，鋰電池對過度充電和過度放電非常敏感。在四個電池的電池組中，如果一個電池為3.5V，而另一個電池為3.2V，則由于所有電池串聯，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

當鋰電池過度充電時，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，可能沒有幾個電池比它的相鄰電池更弱。這些星期的細胞將是一個巨大的問題，因為它們將比正常的健康細胞更快地充電和放電。用串聯電池為電池組充電時，即使一個電池達到最大電壓，也應停止充電過程。這樣，如果電池組中的兩個電池充滿電，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，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到最小電壓。正如我們在BMS文章中了解到的，即使一個電池達到最低電壓，電池組也會與負載斷開連接。這導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，我們可以得出結論，要使電池組發揮最大效率，必須實行電池平衡。仍然有少數應用程序的初始成本應該非常低，并且在那些應用程序中可以避免電池更換不是問題，可以避免電池平衡。但是在包括電動汽車在內的大多數應用中，必須通過電池平衡來從電池組中獲取最大汁液。

是什么原因導致電池組中的電池失衡？

現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問題，我們應該知道為什么第一手的單元會變得不平衡。如前所述，當通過串聯放置電池形成電池組時，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很復雜；因此，測量電池中單個電池的SOC非常復雜。理想的電池平衡技術應匹配相同SOC而不是相同電壓（OCV）電平的電池。但是，由于實際上不可能在制作電池組時僅根據電壓對電池進行匹配，因此SOC的變化可能會導致OCV在適當的時候發生變化。

內部電阻變化

很難找到具有相同內部電阻（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的區域，電池組之間可能存在溫度差異，導致一個電池單元的充電或放電速度比其余電池單元快，從而導致電池失衡。

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外部系統，該系統會在電池不平衡后強制其再次達到平衡。該系統稱為電池平衡系統。有許多不同類型的硬件和軟件技術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。

電池單元平衡的類型

電池平衡技術可以大致分類分為以下四個類別。我們將討論每個類別。

被動細胞平衡

主動細胞平衡

無損失細胞平衡

Redox Shuttle

1。被動單元平衡

被動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電池電量平衡。

電荷分流

在這種方法中，虛擬負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。電池組中串聯的每個電池都將通過開關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單元，每個單元通過諸如MOSFET之類的開關連接到兩個旁路電阻。 控制器測量所有四個電池的電壓，并為電壓高于其他電池的電池打開mosfet 。當mosfet打開時，該特定電池開始通過電阻放電。由于我們知道電阻器的值，因此我們可以預測電池正在消耗多少電荷。與電池并聯連接的電容器用于過濾開關期間的電壓尖峰。

此方法效率不高，因為電阻中的熱量會耗散電能，并且電路也會考慮開關損耗。另一個缺點是，整個放電電流流經mosfet，而mosfet主要內置在控制器IC中，因此必須將放電電流限制在較低的值，這會增加放電時間。克服此缺點的一種方法是使用外部開關增加放電電流，如下所示

內部P溝道MOSFET將由控制器觸發，從而導致電池通過電阻R1和R2放電（I偏置）。選擇R2的值，使得由于放電電流（I-bias）的流動而在其兩端產生的電壓降足以觸發第二個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。當控制器關閉P溝道MOSFET時，偏置電流為零，因此電壓Vgs也變為零。這樣會關閉N溝道MOSFET，使電池再次恢復理想狀態。

無源電池平衡IC

即使被動平衡技術效率不高，由于這種簡單性和低成本，因此更為常用。除了設計硬件，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等現成的IC。這些IC可以級聯以監視多個單元并節省開發時間和成本。

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，各個電池單元的電壓將得到連續監控。

在充電過程中，即使一個電池單元達到了滿充電電壓，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，即使一個電池達到最小截止電壓，電池組也會與負載斷開連接，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，它可用于經常為電池充電的應用。

2。主動單元平衡

在被動單元平衡中，多余的電荷沒有被利用，因此被認為是無效的。在主動平衡的情況下，一個單元的多余電荷會轉移到另一個低電荷的單元，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）來實現的。進行主動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移到低壓電池。電容器通過SPDT開關連接，最初，開關將電容器連接到高壓電池，一旦電容器被充電，開關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。下圖應該可以幫助您更好地理解。

這些電容器稱為飛跨電容器因為在載有充電器的低壓電池和高壓電池之間飛行。該方法的缺點是電荷只能在相鄰電池之間轉移。另外，由于電容器必須充電然后放電以轉移電荷，因此花費更多時間。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電路。在這種方法中，開關電路由降壓升壓轉換器組成。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換器放電到低壓電池中。下圖表示一個只有兩個單元和一個降壓升壓轉換器的電感式轉換器。

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轉移到單元2。首先，開關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SW1打開，開關sw2閉合。

現在，充滿電的電感器將反轉其極性并開始放電。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sw2打開，開關sw1閉合以重復該過程。下面的波形將幫助您獲得清晰的圖像。

在時間t0期間，開關sw1閉合（打開）導致電流I charge增大，電感（VL）兩端的電壓增大。然后，一旦電感器在時間t1充滿電，開關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。當電感器放電時，其極性改變，因此電壓VL顯示為負。放電時，放電電流（I放電）從最大值減小。所有這些電流進入電池2進行充電。從時間t2到t3允許一個很小的間隔，然后在t3處再次重復整個循環。

該方法還存在一個主要缺點，即電荷只能從較高的電池傳輸到較低的電池。還應考慮開關損耗和二極管壓降。但這比電容器方法更快，更有效。

電感式轉換器（基于反激式）

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

我們知道電池使用直流電運行，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Sp上的開關。這樣便將DC轉換為脈沖DC，并激活了變壓器的初級側。

現在，在次級側，每個單元都有自己的開關和次級線圈。通過切換低壓電池的mosfet，我們可以使特定的線圈充當變壓器的次級線圈。這樣，來自初級線圈的電荷被轉移到次級線圈。這會導致整個電池組電壓放電到弱電池中。

此方法的最大優點是，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變壓器，所以它占用的空間很大，電路的復雜性也很高。

3。無損平衡

無損平衡是最近開發的一種方法，可通過減少硬件組件和提供更多軟件控制來減少損失。這也使系統更簡單，更易于設計。該方法使用矩陣開關電路，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。下面顯示了一個用于8個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裝置將其從包裝中取出。在上圖中，通過使用開關將電池5從電池組中取出。將紅線圓視為斷開開關，將藍線圓視為閉合開關。因此，較弱的電池的靜止時間在充電過程中增加，以便在充電期間使它們平衡。但是必須相應地調整充電電壓。放電期間也可以遵循相同的技術。

4。氧化還原班車

最終方法不是硬件設計人員而是化學工程師。在鉛酸電池中，我們沒有電池平衡的問題，因為當鉛酸電池過度充電時，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的化學性質，嘗試對鋰電池實現相同的效果。這種修飾的電解質應防止電池過度充電。

電池平衡算法

有效的電池平衡技術應結合使用硬件使用適當的算法。電池單元平衡的算法很多，這取決于硬件設計。但是類型可以歸結為兩個不同的部分。

測量開路電壓（OCV）

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

測量充電狀態（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是一項復雜的任務，因為我們必須考慮一段時間內電池的電壓和電流值，才能計算出SOC的值。該算法很復雜，并用于要求高效率和安全性的地方，例如在航空航天工業中。

責任編輯：wv