【导读】于自动平衡体系设计中，算法是驾御硬件能量流动的聪明中枢。算法的繁杂度与效能，往往直接管到其所依靠的硬件架构的制约。是以，怎样于与简便硬件架构协同的历程中，设计出一样高效、低繁杂度的平衡计谋，是实现卓着BMS设计的要害挑战。本文聚焦在平衡算法的焦点逻辑、设计原则和与特定硬件架构的协同优化要领，旨于剖析怎样经由过程算法决议计划晋升平衡效率与体系靠得住性。虽然文中会商的算法与特定硬件架构深度绑定，但其展现的设计衡量、优化思绪与实现框架，可为工程师于面临差别架构时提供普适性的灵感与要领论引导。

择要

于自动平衡体系设计中，算法是驾御硬件能量流动的聪明中枢。算法的繁杂度与效能，往往直接管到其所依靠的硬件架构的制约。是以，怎样于与简便硬件架构协同的历程中，设计出一样高效、低繁杂度的平衡计谋，是实现卓着BMS设计的要害挑战。本文聚焦在平衡算法的焦点逻辑、设计原则和与特定硬件架构的协同优化要领，旨于剖析怎样经由过程算法决议计划晋升平衡效率与体系靠得住性。虽然文中会商的算法与特定硬件架构深度绑定，但其展现的设计衡量、优化思绪与实现框架，可为工程师于面临差别架构时提供普适性的灵感与要领论引导。

弁言

于本系列文章的前几部门中，会商重点重要集中于怎样选择适合的集成电路(IC)与元器件，以构建自动平衡电路或者架构。因为平衡算法于自动平衡体系及第足轻重，是以有须要对于其举行深切切磋。

是以，本文旨于测验考试开发一种专门针对于本系列所先容的平衡架构的算法。方针是提供一套高效、简便且易在部署及评估的自动平衡算法参考设计，帮忙工程师和从业者快速实现、测试，并直接不雅察ADI解决方案于电池包中的现实平衡机能。

话虽云云，有一点值患上重复夸大：只管本文所提出的平衡算法夸大简便性与高效性，但于现实运用中，不存于任何一种单一算法能一劳永逸地应答所有电芯纷歧致场景。任何平衡计谋于投入现实电池体系利用前，都必需颠末周全的评估与验证。

自动平衡图形用户界面软件

基在本系列以前文章中先容的自动平衡观点，自动平衡体系的节制代码重要部署于两个位置：嵌入衰落节制器(MCU)及基在小我私家电脑(PC)的自动平衡图形用户界面(GUI)。MCU的作用与功效已经于以前的文章中会商过，本部门将重点先容PC端评估软件，即自动平衡GUI。

图1及图2展示了本设计架构中所用GUI界面的截图。为防止视觉杂乱，仅对于功效不直不雅的部门举行了标注，以确保清楚了然。

该GUI既是MCU与电脑之间的通讯桥梁，也提供及时数据可视化功效，可显示电芯电压、唆使每一个电芯的平衡状况，并捕捉及记载体系妨碍或者异样运行环境。最主要的是，该GUI集成为了主动化自动平衡算法，于是不仅是一款监控东西，更是履行平衡历程的要害驱动步伐。

图1.自动平衡GUI：显示电芯电压、平衡状况及过错警报的图形界面。

图2.自动平衡GUI：调试时期用在监控MCU与GUI数据交互的日记窗口。

自动平衡算法下的机能体现

本设计架构撑持自动平衡历程的两种节制模式：手动平衡节制及全主动算法节制。

1.手动平衡节制

于手动模式下，用户可直接发送指令，对于单个电芯举行充电、放电或者禁用平衡操作。该模式合用在诊断测试，或者针对于特定电芯履行定向平衡干涉干与与微调。

2.主动化自动平衡算法

于主动模式下，操作流程颠末简化以晋升易用性：将电池包毗连至体系、启动GUI软件、成立与MCU的串行通讯，然后点击AUTO_ENABLE按钮。今后，体系将主动使所有16个电芯到达不异电压程度，无需用户进一步干涉干与。

图3至图5展示了于启用主动化平衡功效的环境下，三种差别运行状况（充电、放电、余暇）下电芯电压的收敛历程。测试所用的电池包中包罗16个镍锰钴(NMC)锂离子电芯，每一个电芯的额定容量为40 Ah。

•充电状况：利用最年夜电流为10 A的充电器为电池包充电，电芯电压从约3.65 V升至靠近4.1 V。

•放电状况：将电池组毗连至10Ω的年夜功率电阻负载，电芯电压从约3.85 V降至约3.65 V。

•余暇状况：电池包处在余暇状况，未毗连充电器或者负载。

于所有这三种环境下，测试最先时均成心使电芯电压处在不平衡状况，以更好地展示自动平衡电路的收敛效果。当所有电芯的电压误差收敛到阈值规模内（界说为与平均电压的差值于±3 mV之内）时，主动平衡住手前提被触发，试验随即终止。

如图3至图5所示，启用主动化算法后，16个电芯的电压收敛到了较窄的容差规模内。由此证实，所提出的架构与算法不仅于余暇状况下，于充电及放电阶段均能实现不变且有用的平衡。

图3.电池包以最年夜电流10 A充电，启用主动化自动平衡算法。

图4.电池包经由过程10Ω年夜功率电阻放电，启用主动化自动平衡算法。

图5.电池包处在余暇状况，启用主动化自动平衡算法。

主动化平衡算法的履行逻辑

主动化平衡算法以轮回、挨次的方式运行：依次对于16个电芯举行平衡，以后反复该历程。它不会测验考试于一次轮回中彻底均衡单个电芯，而是采用轮询计谋，履行屡次短期的平衡周期。这类方式可防止单个电芯的平衡逗留时间太长，由于逗留太长会降低总体平衡效率，还有可能影响电池包安全性。连续聚焦单个电芯的平衡，还有可能致使其他永劫间余暇的电芯面对过充或者过放危害。经由过程于所有电芯间分配平衡使命，电芯电压误差能高效收敛至预设的住手阈值。

算法按照电芯分组，采用两种互补的平衡要领：

1.缓冲区平衡（2-9号电芯）——相对于平衡

•计较缓冲区组（2-9号电芯）的平均电压，记为Avg(2-9)。

•每一个缓冲区电芯（2-9号）均以Avg(2-9)为基准举行平衡，而非以电池包总体平均电压(AvgALL)为基准。

2.自力电芯平衡（1号、10-16号电芯）——绝对于平衡

•计较全数16个电芯的电池包总体平均电压，记为AvgALL。

•每一个自力电芯（1号、10-16号）均以AvgALL为基准举行平衡，向该电压值挨近。

不管是缓冲区电芯还有是自力电芯，其平衡标的目的（充电或者放电）与平衡时长，均由各个电芯电压误差的正负符号及误差幅度决议。只管平衡时长年夜致与误差幅度成正比，但不会呈现单个电芯主导整个平衡历程的环境。算法经由过程短期、迭代式的轮回遍历所有电芯，确保电压误差快速、不变地收敛。

平衡历程的终极方针是让电池包内所有电芯的电压尽可能靠近AvgALL。将算法划分为“缓冲区组相对于平衡”与“自力电芯绝对于平衡”，缘故原由是为了晋升效率：假如缓冲区电芯直接以AvgALL为基准平衡，它们于作为其他电芯的能量贮备库时，会重复履历充放电轮回，致使平衡收敛效率低下。经由过程相对于平衡，先让缓冲区电芯电压与Avg(2-9)对于齐，再以缓冲区总体为自力电芯充放电，体系能实现更快的总体收敛。于一个完备平衡周期竣事时，Avg(2-9)与AvgALL可能并不是彻底一致，但会很是靠近，从而确保整个电池包到达优良的平衡状况。

为进一步晋升效率与靠得住性，借使倘使某一电芯的电压误差已经于容差规模内，或者检测到异样环境，算法会跳过这一电芯，继承处置惩罚下一个切合前提的电芯。

架构设计道理与基在缓冲区的平衡机制

仔细的读者也许会发明，上述平衡计谋与抱负的全双向电芯间平衡拓扑存于差异。缘故原由一目明了：若不引入极高的架构繁杂度，要于电池包内肆意两个电芯之间实现真实的直接双向能量传输，于现实运用中其实不可行。

为解决这一难题，该算法借助中间充电缓冲区实现间接平衡。详细而言，电池包内n个相邻的电芯被指定为缓冲区。这一配置于平衡架构图（图6）中也有表现，图中缓冲区被描绘为由这n个持续电芯构成的模块。

传统设计依靠自力的外部电源（如年夜容量12 V或者24 V电池）作为缓冲区，而本架构则彻底使用电池包内部已经存储的能量运行。这类方式不仅提高了体系总体效率，还有降低了软硬件的设计繁杂度。

本架构与算法中的平衡历程经由过程两步式能量传输实现。

1.电芯到缓冲区放电：将过充电芯的能量转移至缓冲区电芯中。

2.缓冲区到电池充电：尔后将缓冲区的能量从头分配给欠充电芯。

这类两步式流程，于功效上等效在实现了双向电芯间平衡，同时避开了直接一对于一传输拓扑的工程繁杂度。这类拓扑虽被视为抱负的平衡情势，但因其电路繁杂度高、成本高，于年夜型电池包中往往难以落地。于这类要领中，当某个电芯需要充电时，所需能量会从缓冲区电芯中同一获取；反之，当某个电芯需要放电时，其过剩能量会被匀称从头分配回缓冲区电芯。

图6.基在LT830六、LT830九、ADP16十二、MAX73十二、ADBMS6830及MAX32670的自动平衡电路架构图。

姑且暂停及从头激活主动平衡的前提

当2到9号电芯相对于Avg(2-9)的电压误差降至设定阈值（例如±3 mV）如下，且1号、10到16号电芯相对于AvgALL的电压误差也处在统一阈值内时，主动化平衡历程会姑且暂停。此时，Avg(2-9)与AvgALL可能并不是彻底一致，但会十分靠近。满意这些前提后，算法将转入待机状况，等候下一次平衡触发。

主动化平衡算法于激活状况下，会连续轮询电池体系，判定是否需要启动平衡。触发前提可由用户配置，默许触发逻辑为：当16个电芯中最高电芯电压与最低电芯电压的差值跨越10 mV时，启动平衡。

算法激活后，会连续运行直至满意暂停前提，随后住手并等候下一次触发事务。如前所述，暂停前提连结稳定，此处再也不赘述。

为防止平衡历程过分轮回和没必要要的能量损耗，于触发阈值(10 mV)与暂停阈值(±3 mV)之间设置了“滞回带”。这可确保仅当电芯呈现显著电压误差时，平衡才会从头激活，从而同时晋升体系效率与利用寿命。

非凡留意事项

因为电芯电压采样线束与自动平衡线束共用统一布线，且受本系列以前文章说起的路线电阻(Rroute)和年夜平衡电流的配合影响，自动平衡历程中会呈现电压降。如图7至10所示，该电压降会影响电芯电压丈量的正确性。是以，必需按期暂停自动平衡，以获取正确的电压读数。

•假如暂停过在频仍，会降低平衡效率。

•假如暂停距离太长，可能致使过分平衡。

于本架构中，算法会按照不雅测到的电压误差估算所需平衡时长，例如每一5 mV误差对于应约1分钟平衡时间。到达计较出的时长后，平衡会主动暂停以举行正确的电压丈量，随后算法将决议下一步操作。

这类自顺应时序计谋比拟固定距离方式晋升了效率，但它依靠在“充放电电流靠近恒定”这一条件。于本设计中，电流不变性经由过程直接从电池包获取缓冲区电压而非依靠外部电源来实现，即便电芯电压于3.0 V至4.2 V之间变化，也能确保电流靠近恒定。

只管组合利用采样线束与平衡线束会于平衡时期引入丈量偏差，但也带来了显著上风：

•削减线束数目，简化布线，节省印刷电路板(PCB)空间。

•平衡时期不雅测到的电压降可作为运行状况唆使器，帮忙确认自动平衡电路是否正常事情。

图7.自动平衡功效未激活时，电芯电压丈量值连结不变。

图8.自动平衡运行时期，为特定电芯充电时对于电压丈量的影响。

图9.自动平衡运行时期，为特定电芯放电时对于电压丈量的影响。

图10.自动平衡运行时期，平衡电流对于电芯电压丈量的影响：左边为电芯充电，右边为电芯放电。

结语

本系列关在自动平衡的文章至此告一段落。只管咱们全力以赴，试图于有限的篇幅内将这一体系性设计的各个方面详尽出现，但受限在篇幅，仍有很多繁杂的设计要点，特别是本自动平衡方案中完备的软件编程细节，没法于此逐一胪陈。本系列文章的焦点愿景，是引发对于电池自动平衡技能怀有热情的工程师及电子喜好者们的摸索愿望与立异灵感。咱们由衷地指望读者们，既能直接应用文中先容的设计方案，也能以此为出发点，深切研讨、不停拓展，经由过程连续立异，打造出既简便又高效的自动平衡解决方案。

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