电池平衡技术的说明及使用方法

A标称锂电池的额定电压仅为4.2V左右，但在诸如EV，便携式电子产品，笔记本电脑，移动电源等应用中，我们需要比标称电压高很多的电压。这就是为什么设计人员将多个以上的电池串联组合以形成更高电压值的电池组的原因。从上一篇《电动汽车电池》文章中我们知道，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。

可以想象串联连接许多单元就像将许多马安装在战车上一样。只有当所有马匹都以相同的速度运行时，战车才会以最大的效率被驱动。在四匹马中，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，最终会因为拉其他三匹马的负担而伤害自己。类似地，当四个电池串联连接时，所有四个电池的电压值应相等，以最大效率导出电池组。保持所有电池电压相等的方法称为电池平衡。在本文中，我们将学习有关电池平衡的更多信息，并简要介绍如何在硬件和软件级别使用它们。

为什么需要电池平衡？

电池平衡是一种将每个人的电压水平都提高到最低的技术串联连接以形成电池组的电池应保持相等，以实现电池组的最大效率。当将不同的电池组合在一起以形成电池组时，请始终确保它们具有相同的化学性质和电压值。但是一旦安装好电池组并对其进行充电和放电，由于某些原因我们将在后面讨论这些电池单元的电压值趋于变化。电压水平的这种变化会导致电池单元失衡，从而导致以下问题之一

热失控

最糟糕的事情可能发生的是热失控。众所周知，锂电池对过度充电和过度放电非常敏感。在四个电池的电池组中，如果一个电池为3.5V，而另一个电池为3.2V，则由于所有电池串联，电荷将对所有电池一起充电，并且由于其他电池仍在充电，因此会将3.5V电池充电至高于建议的电压需要充电。

电池退化

当锂电池过度充电时，甚至略高于锂电池建议值会降低电池的效率和生命周期。例如，充电电压从4.2V略微增加到4.25V，会使电池降级30％。因此，如果电池电量平衡不准确，则即使稍微过度充电也会缩短电池寿命。

电池组充电不完全

电池组中的电池变旧时，可能没有几个电池比它的相邻电池更弱。这些星期的细胞将是一个巨大的问题，因为它们将比正常的健康细胞更快地充电和放电。用串联电池为电池组充电时，即使一个电池达到最大电压，也应停止充电过程。这样，如果电池组中的两个电池充满电，它们将更快地充电，因此剩余的电池将不会被最大充电，如下所示。

不完全使用电池组能量

类似，在电池组放电时，较弱的电池将比健康电池放电更快电池，它们将比其他电池更快地达到最小电压。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。这导致了电池组能量的未使用容量，如下所示。

考虑到上述所有可能的缺点，我们可以得出结论，要使电池组发挥最大效率，必须实行电池平衡。仍然有少数应用程序的初始成本应该非常低，并且在那些应用程序中可以避免电池更换不是问题，可以避免电池平衡。但是在包括电动汽车在内的大多数应用中，必须通过电池平衡来从电池组中获取最大汁液。

是什么原因导致电池组中的电池失衡？

现在我们知道为什么保持电池组中所有电池平衡的重要性了。但是要正确解决这个问题，我们应该知道为什么第一手的单元会变得不平衡。如前所述，当通过串联放置电池形成电池组时，请确保所有电池处于相同的电压水平。因此，新电池组将始终具有平衡的电池单元。但是，由于以下原因，电池组投入使用后，电池会变得不平衡。

SOC不平衡

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。理想的电池平衡技术应匹配相同SOC而不是相同电压（OCV）电平的电池。但是，由于实际上不可能在制作电池组时仅根据电压对电池进行匹配，因此SOC的变化可能会导致OCV在适当的时候发生变化。

内部电阻变化

很难找到具有相同内部电阻（IR）的电池，并且随着电池寿命的增长，电池的IR也会发生变化，因此在电池组中并非所有电池都单元将具有相同的IR。众所周知，IR会影响电池的内部阻抗，从而决定流过电池的电流。由于IR变化，流过电池的电流及其电压也会变化。

温度

充放电容量电池的温度还取决于其周围的温度。在像电动汽车或太阳能电池阵列这样的大型电池组中，电池单元分布在浪费的区域，电池组之间可能存在温度差异，导致一个电池单元的充电或放电速度比其余电池单元快，从而导致电池失衡。

基于上述原因，很明显，我们不能防止电池在操作过程中变得不平衡。因此，唯一的解决方案是使用一个外部系统，该系统会在电池不平衡后强制其再次达到平衡。该系统称为电池平衡系统。有许多不同类型的硬件和软件技术可用于电池电量平衡。让我们讨论一下类型和广泛使用的技术。

电池单元平衡的类型

电池平衡技术可以大致分类分为以下四个类别。我们将讨论每个类别。

被动细胞平衡

主动细胞平衡

无损失细胞平衡

Redox Shuttle

1。被动单元平衡

被动单元平衡是最简单的方法。它可以在成本和尺寸是主要限制的地方使用。以下是两种类型的被动电池电量平衡。

电荷分流

在这种方法中，虚拟负载就像电阻器一样用来释放多余的电压并使它与其他电池均衡。这些电阻器称为旁路电阻器或泄放电阻器。电池组中串联的每个电池都将通过开关连接其自己的旁路电阻，如下所示。

上面的示例电路显示了四个单元，每个单元通过诸如MOSFET之类的开关连接到两个旁路电阻。 控制器测量所有四个电池的电压，并为电压高于其他电池的电池打开mosfet 。当mosfet打开时，该特定电池开始通过电阻放电。由于我们知道电阻器的值，因此我们可以预测电池正在消耗多少电荷。与电池并联连接的电容器用于过滤开关期间的电压尖峰。

此方法效率不高，因为电阻中的热量会耗散电能，并且电路也会考虑开关损耗。另一个缺点是，整个放电电流流经mosfet，而mosfet主要内置在控制器IC中，因此必须将放电电流限制在较低的值，这会增加放电时间。克服此缺点的一种方法是使用外部开关增加放电电流，如下所示

内部P沟道MOSFET将由控制器触发，从而导致电池通过电阻R1和R2放电（I偏置）。选择R2的值，使得由于放电电流（I-bias）的流动而在其两端产生的电压降足以触发第二个N沟道MOSFET。此电压称为栅极源极电压（Vgs），偏置MOSFET所需的电流称为偏置电流（I-bias）。

一旦N沟道MOSFET电流打开后，电流流过平衡电阻 R-Bal 。该电阻的值可以很低，以允许更多的电流通过，从而使电池放电更快。该电流称为漏极电流（I漏极）。在该电路中，总放电电流是漏极电流和偏置电流的总和。当控制器关闭P沟道MOSFET时，偏置电流为零，因此电压Vgs也变为零。这样会关闭N沟道MOSFET，使电池再次恢复理想状态。

无源电池平衡IC

即使被动平衡技术效率不高，由于这种简单性和低成本，因此更为常用。除了设计硬件，您还可以使用分别来自线性制造商和德州仪器的著名制造商的LTC6804和BQ77PL900等现成的IC。这些IC可以级联以监视多个单元并节省开发时间和成本。

电荷限制

电荷限制方法是所有方法中效率最低的方法。在此，仅考虑电池的安全性和使用寿命，而放弃了效率。在这种方法中，各个电池单元的电压将得到连续监控。

在充电过程中，即使一个电池单元达到了满充电电压，充电也会停止，而其他电池单元将停止充电。同样，在放电过程中，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。

这种方法效率低下，但降低了成本和尺寸要求。因此，它可用于经常为电池充电的应用。

2。主动单元平衡

在被动单元平衡中，多余的电荷没有被利用，因此被认为是无效的。在主动平衡的情况下，一个单元的多余电荷会转移到另一个低电荷的单元，以使其均衡。这是通过利用电荷存储元件（如电容器和电感器）来实现的。进行主动电池平衡的方法有很多，让我们讨论一下常用的方法。

电荷梭（飞行电容器）

该方法利用电容器将电荷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，一旦电容器被充电，开关将其连接到低压电池，低压电容器中的电荷流入电池。由于电荷在电池之间穿梭，因此该方法称为电荷穿梭。下图应该可以帮助您更好地理解。

这些电容器称为飞跨电容器因为在载有充电器的低压电池和高压电池之间飞行。该方法的缺点是电荷只能在相邻电池之间转移。另外，由于电容器必须充电然后放电以转移电荷，因此花费更多时间。由于电容器的充电和放电期间会损失能量并且还必须考虑开关损耗，因此效率也非常低。 下图显示了如何将快速电容器连接到电池组中

电感转换器（降压升压法）

有源电池平衡的另一种方法是使用电感器和开关电路。在这种方法中，开关电路由降压升压转换器组成。来自高压电池的电荷被泵入电感器，然后通过使用降压升压转换器放电到低压电池中。下图表示一个只有两个单元和一个降压升压转换器的电感式转换器。

在上述电路中，电荷可以通过以以下方式切换MOSFET sw1和sw2，可以将其从单元1转移到单元2。首先，开关SW1闭合，这将使来自电池1的电荷以电流I-电荷流入电感器。电感器充满电后，开关SW1打开，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。这次，来自电感器的电荷通过电流I放电流入单元2。电感器完全放电后，开关sw2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（打开）导致电流I charge增大，电感（VL）两端的电压增大。然后，一旦电感器在时间t1充满电，开关sw1就会打开（断开），这会使电感器释放在上一步中积累的电荷。当电感器放电时，其极性改变，因此电压VL显示为负。放电时，放电电流（I放电）从最大值减小。所有这些电流进入电池2进行充电。从时间t2到t3允许一个很小的间隔，然后在t3处再次重复整个循环。

该方法还存在一个主要缺点，即电荷只能从较高的电池传输到较低的电池。还应考虑开关损耗和二极管压降。但这比电容器方法更快，更有效。

电感式转换器（基于反激式）

降压/升压转换器方法只能将电荷从较高的单元转移到较低的单元。通过使用反激转换器和变压器可以避免此问题。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

我们知道电池使用直流电运行，直到切换电压，变压器才起作用。因此，为了开始充电过程，切换了初级线圈侧Sp上的开关。这样便将DC转换为脉冲DC，并激活了变压器的初级侧。

现在，在次级侧，每个单元都有自己的开关和次级线圈。通过切换低压电池的mosfet，我们可以使特定的线圈充当变压器的次级线圈。这样，来自初级线圈的电荷被转移到次级线圈。这会导致整个电池组电压放电到弱电池中。

此方法的最大优点是，可以很容易地从电池组电压为电池组中的任何弱电池充电而不是特定的电池正在放电。但是由于其中包含一个变压器，所以它占用的空间很大，电路的复杂性也很高。

3。无损平衡

无损平衡是最近开发的一种方法，可通过减少硬件组件和提供更多软件控制来减少损失。这也使系统更简单，更易于设计。该方法使用矩阵开关电路，该电路提供了在充电和放电过程中从电池组中添加或移除电池的功能。下面显示了一个用于8个电池的简单矩阵切换电路。

在充电过程中，高电压电池将使用开关装置将其从包装中取出。在上图中，通过使用开关将电池5从电池组中取出。将红线圆视为断开开关，将蓝线圆视为闭合开关。因此，较弱的电池的静止时间在充电过程中增加，以便在充电期间使它们平衡。但是必须相应地调整充电电压。放电期间也可以遵循相同的技术。

4。氧化还原班车

最终方法不是硬件设计人员而是化学工程师。在铅酸电池中，我们没有电池平衡的问题，因为当铅酸电池过度充电时，会引起放气，从而防止其过度充电。氧化还原穿梭背后的想法是通过改变锂电池电解质的化学性质，尝试对锂电池实现相同的效果。这种修饰的电解质应防止电池过度充电。

电池平衡算法

有效的电池平衡技术应结合使用硬件使用适当的算法。电池单元平衡的算法很多，这取决于硬件设计。但是类型可以归结为两个不同的部分。

测量开路电压（OCV）

最简单且最常用的方法。在此，对每个电池测量开路电池电压，并且电池平衡电路用于均衡串联连接的所有电池的电压值。测量OCV（开路电压）很简单，因此该算法的复杂性更低。

测量充电状态（SOC）

在这种方法中，电池的SOC是平衡的。众所周知，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，才能计算出SOC的值。该算法很复杂，并用于要求高效率和安全性的地方，例如在航空航天工业中。

责任编辑：wv