【导读】于寻求电池治理体系（BMS）极致机能的历程中，自动平衡已经逾越单一的电路功效，蜕变为一项需要硬件架构与软件计谋深度协同的体系级工程。真实的“高效”与“简便”，并不是仅经由过程优化单一方面实现，而是源在对于能量转移硬件拓扑与智能平衡治理算法的兼顾设计。本文将深切解析支撑高效自动平衡的两年夜支柱：一是怎样谨慎选型与集成要害IC和外围元件，构建精简靠得住的硬件基础；二是怎样设计主导平衡历程的焦点算法计谋，从而于体系层面实现机能、成本与繁杂度的最优均衡。

择要

于寻求电池治理体系（BMS）极致机能的历程中，自动平衡已经逾越单一的电路功效，蜕变为一项需要硬件架构与软件计谋深度协同的体系级工程。真实的“高效”与“简便”，并不是仅经由过程优化单一方面实现，而是源在对于能量转移硬件拓扑与智能平衡治理算法的兼顾设计。本文将深切解析支撑高效自动平衡的两年夜支柱：一是怎样谨慎选型与集成要害IC和外围元件，构建精简靠得住的硬件基础；二是怎样设计主导平衡历程的焦点算法计谋，从而于体系层面实现机能、成本与繁杂度的最优均衡。

弁言

承续本系列已经论述的自动平衡观点，接下来将从两个维度继承会商该主题：平衡架谈判平衡算法。咱们将从硬件及软件两个层面，切磋怎样设计一个高效、精简、易在部署与评估的体系级自动平衡解决方案。

本文（本系列的第三部门）重点先容平衡架构。设计方案中包括一个开关矩阵主板、两个反激电源板、一个电池治理体系(BMS)节制板、一个微节制器单位(MCU)评估板及一个isoSPI断绝通讯评估板。如下章节将扼要先容每一个硬件板的功效。

开关矩阵电路板

于自动平衡设计中，电荷需要于电芯之间以和电池包之间传输。正如本系列第二部门所述，更高效、更精简的平衡解决方案采用多电芯电池包，并利用两个自力的反激电路及两个变压器：一个专用在电芯之间的平衡，另外一个专用在电池包之间的平衡。开关矩阵以时分复用的方式，选择性地将差别电芯毗连到自动平衡电路。

该自动平衡架构中的开关矩阵是基在先前会商的观点构建而成。它包罗一个16通道电芯选择矩阵，可以或许切确接入方针电芯举行平衡。此外还有有四个极性选择开关，用在于选定电芯毗连到反激电路时调解电压极性。总体平衡架构如图1所示。

图1.自动平衡电路架构示用意

该架构利用单个反激电源级，经由过程于电池包内的多个电芯之间分时同享一个反激转换器来实现电芯间平衡。可选择被平衡电池包中16个电芯中的任何一个举行平衡。

反激电源级由LT8306驱动，后者是一款高集成度且高效的节制器，只需少少的外部元件，很是合适自动平衡体系中的断绝式能量转移运用。模组电压直接来历在已经平衡的电池包，是以于运行时期，纵然单个电芯电压呈现颠簸，占空比变化仍能连结最小。这使患上充电及放电可以或许靠近恒流，从而带来更不变的硬件机能，并年夜年夜简化自动平衡算法的开发及调试，如表1所示。

理论上，源自电池包中N个电芯的模组电压Vmodule可能其实不彻底等在N × Vcell（任何单个电芯的电压），但现实上，配置优良且运行正常的自动平衡体系能以很是高的一致性维持Vmodule ≈ N × Vcell。

图2.基在本文所提出架构的单电芯放电的LTspice仿真

表1.电芯平衡时期的占空比变化（假定模组电压为N个电芯的电压之及，此中N = 8）

占空比（电芯放电）= (Vcell × N + VF) × NPS/(Vcell + (Vcell × N + VF) × NPS)

占空比（电芯充电）= (Vcell + VF) × NSP/(Vcell × N + (Vcell + VF) × NSP)

NPS = 1:N；NSP = N:1；VF = 0.3 V

反激电路设计及仿真

LT8306与Würth变压器（产物型号749119533）及须要的无源元件联合利用，可实现断绝式反激电源级，作为自动平衡架构的一部门，用在电芯之间的能量转移。

图2及图3展示了该架构中利用的反激电路的LTspice®道理图及响应的仿真成果。仿真清晰地注解，该电路实现了预期的电芯充放电双向平衡。

升压转换器及同步整流

于该架构中：

•于电芯侧，LT8306由7 V稳压电源供电。假定单个锂离子电芯的最年夜电压为4.2 V，该架构的保举事情规模为3.0 V至4.2 V，则7 V电源轨由ADP1612升压转换器对于电芯电压举行升压来孕育发生。该器件是一款高性价比、高效率转换器，很是合适将平衡电路中的低电芯电压升高至适量的电平，以确保LT8306于最好规模内事情。

•于电芯平衡充电时期，反激输出与单个电芯的电压一致。于云云低的电压及相对于较高的充电电流下，利用二极管举行续流会造成显著的损耗及过热问题，并且这些问题会跟着电芯电压降落而变患上越发严峻。可是，若将LT8306与LT8309等同步整流节制器共同利用，则可实现高效率转换路径，同时最年夜限度地减轻热应力，特别是于低电压、高电流环境下。

图3.基在本文所提出架构的单电芯充电的LTspice仿真

图4显示了采用ADP1612升压转换器及LT8309同步整流以实现自动平衡的反激电源级的完备LTspice仿真。

反馈设计考量因素

使用LT8306举行自动平衡的一个要害因素是其反馈收集的设计。从电芯到反激电路输入真个路径的总电阻（称为RROUTE）凡是不容纰漏。该电阻由如下几部门组成：电芯内阻、母线电阻、线束电阻、毗连器电阻、保险丝电阻、PCB走线电阻以和六个串联MOSFET的总导通电阻RDS(ON)。

按照元件选择、线束质量及现实装置前提，RROUTE可能会有很年夜差异，从几十毫欧到几百毫欧不等。其切确值凡是需要现场丈量才能确定。当乘以平均充电电流（ICHARGE，可达数安培）时，RROUTE两头的电压降可能于几十到几百毫伏之间。对于电芯充电时，次级侧LT8306以相对于较高的开关频率(Fsw)事情。于这类环境下，由电芯输入端反激级的年夜布线电阻(RROUTE)及年夜输入电容器(CINPUT)形成的时间常数τ = RROUTE× CINPUT变患上很是主要。假如该τ跨越反激开关周期(Tsw = 1/Fsw)，尤其是假如它跨越次级LT8306关断时间(Toff)，那末当LT8306采样连结偏差放年夜器对于次级电压举行采样时，RROUTE两头的电压降还没有衰减到0 V。

是以，当τ较年夜时，必需将此电压降的影响纳入LT8306反馈电阻收集的计较中。虽然与总模组电压比拟，此电压降相对于较小，但相较在单个电芯的电压，此电压降却很年夜。

是以，利用LT8306设计电池充电电路时，必需将此电压降纳入反馈电阻的计较中。与数据手册中给出的公式比拟，改良后的反馈电阻计较公式为：

而原式为：

RFB =反馈电阻

VOUT=输出电压

VF=输出二极管正向电压

NPS= 变压器有用低级/次级匝数比

VROUTE = RROUTE两头的电压降

这类调解可确保电压调治精准且运行不变，特别是于电芯充电电流较高的环境下。

图4.基在本文所提出架构（同步整流）的单电芯充电的LTspice仿真

电池包间的自动平衡设计

咱们还有针对于电池包间平衡场景举行了LTspice仿真及试验验证。因为焦点操作与电芯间平衡很是相似，是以图5中仅展示了仿真道理图及要害成果。

实行基在电压的电池包间平衡计谋时，务必确保电池模组之间的平衡电流路径不颠末电池包的主端子（V+及V-）。这类预防办法可避免滋扰电池包总电压的丈量，不管是直接于V+及V-之间丈量，还有是经由过程对于电芯1至电芯16的各个电芯电压乞降来计较。

图5.基在本文所提出架构的电池包间平衡的LTspice仿真

图6.差别电池包间平衡毗连要领对于电池包电压丈量的影响

图6展示了差别接线要领对于电池包电压丈量精度的影响，而图7显示了针对于电池包间平衡的建议毗连方案。

图7.电池包间平衡的建议毗连要领

BMS节制板

自动电芯平衡的实现底子上依靠在BMS，更详细地说，依靠在BMS电芯监控单位提供的功效。于自动平衡架构中，电芯监控器阐扬着几个主要作用，包括：

1.及时监控每一个电芯的状况——跟踪电压、温度及掩护限值（如过压及欠压状态）。

2.开路妨碍检测及诊断——确保整个体系的安全性及靠得住性。

3.平衡开关节制——充任I²C主机，解译从MCU经由过程isoSPI吸收到的平衡指令，并将其转发到I/O扩大器芯片，按照需要治理读/写操作。

4.平衡状况治理——经由过程I²C来处置惩罚板载EEPROM运行数据的读写操作。

5.菊花链通讯——以菊花链配置高效传输数据，只管即便削减MCU的需求量。

以上只是自动平衡电路中电芯监控器浩繁功效的一部门，但已经然清晰地申明了其所阐扬的要害作用。

于该架构中，ADBMS6830B用作BMS节制单位。这款高机能多电芯电池组监控器撑持丈量多达16个串联电芯；于全温度规模内，整个利用寿命期内的总丈量偏差(TME)小在2 mV。是以，它可以或许对于已经平衡电池包中的所有16个电芯举行切确、及时的电压监控。

ADBMS6830B的输入丈量规模为-2 V至+5.5 V，兼容多种电池化学系统，从高电压的锂镍锰钴氧化物(NMC)电芯到低电压的LiFePO4电芯，可矫捷适配差别类型的电池。此外，所有电芯都可经由过程两个自力的ADC举行同步及冗余采样，从而确保电压数据高度正确靠得住，使平衡算法有用运行。

MCU评估板

于此架构中，MAX32670用作重要节制单位。除了非尚有申明，后续说起的所有MCU均指MAX32670。它是一款超低功耗、高性价比且高度靠得住的32位微节制器，可以或许提供繁杂传感器及节制使命所需的处置惩罚裕量，很是合适工业及物联网运用。

于该自动平衡架构中，节制逻辑漫衍于两个重要位置：

1.主机端节制——PC上运行的自动平衡GUI。

2.嵌入式节制——MCU上履行的固件。

MCU经由过程UART与主机GUI通讯，并经由过程SPI与BMS对于接；凡是采用isoSPI模块来实现电气断绝并晋升通讯稳健性。MCU还有使用按时器及GPIO等内部外设来治理平衡历程中的时序、状况节制及I/O功效。

今朝，该架构未设计定制MCU板，而是采用MAX32670EVKIT评估板。这类方式可加速开发速率，固件及驱动步伐代码可使用SDK编写及调试，然后写入到MCU的闪存中，并与自动平衡GUI一路举行验证，从而实现全功效体系验证，而无需于初期阶段利用定制MCU PCB。

isoSPI断绝通讯评估板

于该架构中，DC2792B断绝通讯评估板（基在LTC6820）用在实现MCU与电芯监控器之间的通讯。LTC6820撑持两个电气断绝器件之间经由过程单条双绞线缆举行双向SPI通讯。

于运行历程中，它将MCU的4线SPI旌旗灯号转换为2线isoSPI脉冲旌旗灯号，以传输到电芯监控器，同时可以或许反其道而行，将从电芯监控器吸收到的isoSPI旌旗灯号解码回MCU利用的尺度4线SPI旌旗灯号。

LTC6820的断绝功效并不是强迫要求，但它经由过程于电气上断绝高压域及低压域，显著晋升了体系的靠得住性及安全性。这可以掩护电池包、BMS节制电路及MCU硬件，同时将高压危害降至最低，从而加强体系开发职员及终极用户的安全保障。出在这些缘故原由，强烈建议于该架构中利用LTC6820。

平衡历程中的SOC计较

该架构实现了靠近恒流的充电及放电历程，有益在电芯平衡，年夜年夜简化了平衡历程中对于荷电状况(SOC)的估算及监控。因为该架构于整个平衡历程中维持靠近恒定的电流，是以用户凡是只需要跟踪三个要害参数：平衡连续时间、平衡状况（充电或者放电）及猜测量的平衡电流。使用这些参数可以得到类似的SOC预计值，而无需专用库仑计数器IC。

固然，对于在平衡历程中需要更高精度SOC计较的运用，利用库仑计仍旧是最正确的要领。

自动平衡架构的物理演示

该架构的物理实现如图8至图11所示。这些图片展示了用在于由16电芯构成的电池包中实现自动平衡的硬件设置。

图8.自动平衡架构内的主板

图9.架构中有两个反激电路：一个专用在电芯间平衡，另外一个专用在电池包间平衡

图10.架构中的isoSPI通讯板及MCU节制板

图11.于利用真实16电芯电池包（每一个电芯的额定容量为40 Ah）的自动平衡试验中，该架构的物理接线及毗连图

结语

本文经由过程对于这类高效、精简自动平衡硬件架构的深切切磋，咱们清楚地看到，合理选择及整合要害IC与硬件板对于在开发出适配的解决方案至关主要。精心遴选的元器件彼此协作，配合构建起一个简便而高效的自动平衡体系，为电池治理体系的不变运行及机能晋升提供了有力保障。将来，跟着技能的不停前进，信赖自动平衡技能将于更多范畴绽开色泽。

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