【导读】于电池治理体系（BMS）设计中，平衡能力直接决议着电池包的机能上限与寿命尽头。传统被动平衡方案因能量耗散与效率问题，已经难以满意高能量密度电池组的治理需求。本文旨于深切剖析几种主流自动平衡技能的上风与局限，并切磋怎样经由过程立异的拓扑交融思绪，构建一种于繁杂度与效能间取患上最好均衡的实用解决方案。文章将进一步论证，于年夜型电池体系中，电池包（PACK）之间的体系级平衡与电芯（Cell）之间的单位级平衡具备划一主要的战略意义，配合组成了完备的高效能量治理闭环。

择要

于电池治理体系（BMS）设计中，平衡能力直接决议着电池包的机能上限与寿命尽头。传统被动平衡方案因能量耗散与效率问题，已经难以满意高能量密度电池组的治理需求。本文旨于深切剖析几种主流自动平衡技能的上风与局限，并切磋怎样经由过程立异的拓扑交融思绪，构建一种于繁杂度与效能间取患上最好均衡的实用解决方案。文章将进一步论证，于年夜型电池体系中，电池包（PACK）之间的体系级平衡与电芯（Cell）之间的单位级平衡具备划一主要的战略意义，配合组成了完备的高效能量治理闭环。

弁言

自动平衡设计的简便与高效，绝非脆而不坚的宣传噱头。本文将审阅并先容今朝市场上广泛采用的几种自动平衡解决方案。咱们将阐发每一种要领的优错误谬误，目的是整合它们的上风，形成一种更具实用性、更能实现简便与高效设计的解决方案。末了，咱们将夸大，只管年夜大都现有自动平衡设计重要存眷电芯之间的平衡，但电池包之间的平衡一样主要，不容轻忽。

市场上现有的几种自动平衡解决方案

本系列文章的第一部门会商了自动平衡于电池治理体系(BMS)中的主要性。事实上，市道上早已经存于多种自动平衡解决方案。这里将重点先容图1展示的三种常见自动平衡解决方案。限在篇幅，这里没法切磋所有可用解决方案，但本文先容的三种方案极具代表性。这三种自动平衡解决方案别离基在反激、多电感及开关电容，使用了电路中广泛利用的三种储能元件：变压器、电感及电容。表1总结了这三种自动平衡解决方案的事情道理和优错误谬误。

图1.三种最具代表性的自动平衡解决方案架构：反激式（左）、多电感（中）及开关电容（右）

表1.三种自动平衡解决方案的事情道理及优错误谬误比力

简化自动平衡：更巧妙的设计要领

如上文所述，传统的自动平衡解决方案要末繁杂昂贵，要末简朴经济但效率低下。本文切磋的要害问题是怎样于确保自动平衡设计充足简便的同时，维持精彩的效率。

从头评估自动平衡的设计要求

患上益在日趋进步前辈的电池制造技能及严酷的质量节制流程，单体电芯的机能，特别是规格不异且来自统一制造商的电芯的机能，凡是高度一致。然而，单体电芯凡是不会直接出售给电动汽车(EV)或者储能体系(ESS)市场中的终端用户。相反，专业电池包制造商会将多个规格不异的新电芯组装成中高压电池包，然后将其出售给电动汽车及储能体系制造商如许的终端用户。

由此不难懂白，对于在新组装的电池包，内部的电芯应具备相似且一致的机能。但需要留意的是，于新电池包初次利用以前，电池包中各个电芯的电压及荷电状况(SOC)未必一致。这是由于，新制造的电池纷歧定会于出产出来后就当即组装成电池包。此外，于电池包完成组装后，产物输送到终端用户并投入现实利用以前，也会需要一些时间。

于永劫间的贮存或者运输时期，不管是对于在单体电芯还有是组装好的电池包，电芯之间的电压及SOC不平衡很轻易发生。这个问题其实不少见。新的（或者相对于较新的）电池包颠末永劫间贮存或者运输后，假如呈现不平衡迹象，其实不必然注解电芯机能不匹配。事实上，这些电芯仍可能具备很是相似的特征。务必留意，机能相似并一定象征着电压或者SOC程度相似，特别是于颠末永劫间贮存或者运输以后。

是以，对于在已经贮存或者运输较永劫间的电池包或者电芯，于投入利用以前，一般建议举行自动或者被动平衡处置惩罚。

除了了贮存及运输场景以外，还有有一个需要留意的环境：跟着电池包运行时间的延伸和充放电轮回次数的增长，单体电芯之间的机能差异可能较电池包组装早期有所扩展。

跟着储能体系容量的连续增加，单体电芯的容量此刻已经到达320 Ah、600 Ah，甚至1000 Ah。此中，320 Ah代表之前的主流容量，600 Ah正成为当前尺度容量，而1000 Ah被视为将来标的目的，有些制造商已经经实现1000 Ah高容量电芯的量产能力。

对于在不具有自动平衡能力或者仅利用被动平衡的年夜容量电池包，电芯之间的初始微小不平衡跟着时间的推移，可能会逐渐蜕变为显著的不匹配，缘故原由是平衡能力有限，并且持久充放电轮回会带来累积效应。终极，这类电芯不匹配可能致使电池包于现实运行历程中呈现显著的容量丧失及安全危害（例如过充及过放）。

自动平衡的两个要害作用

电池包内电芯不匹配问题险些没法防止，自动平衡是以成为改善机能的须要手腕，可实现以下两年夜功效：

1.预防功效：于没有显著不匹配的电池包中，电芯状态优良，机能差异极小。于这类环境下，自动平衡的事情量相对于较轻。假如将自动平衡比作监测电芯康健状态的大夫，那末它只需按期对于电芯举行查抄便可。这类简朴的监测有助在避免或者延迟机能差异的放年夜，使电芯不匹配的可能性最小化，并有用延伸电池包的利用寿命。

2.改正功效：于已经经存于较弱或者不康健电芯的电池包中，自动平衡可使用矫捷性、年夜平衡电流及快速平衡特征，于较弱、不康健及体现优良的电芯之间从头分配电荷。由此可以有用延伸受电芯不匹配影响的电池包的利用寿命，确保电池包安全不变地运行，同时降低过充及过放的危害。更主要的是，电芯不匹配对于电池包涵量丧失的影响被尽可能降低。于此阶段，自动平衡犹如外科大夫，努力减缓电芯不匹配问题并延伸电池包的利用寿命。

为什么要简化设计？详细怎样实现？

既然上述三种主流的自动平衡解决方案已经经于市场上获得广泛运用，为何还有要继承进一步简化自动平衡设计？缘故原由于在，虽然这三种解决方案（和其他未先容的要领）都已经成熟且有用，但它们仍旧存于相称年夜的改良潜力。

本文的重要方针是阐发已往的解决方案，综合使用各类主流要领的上风，形成一种更具实用性、更能实现简便与高效设计的解决方案。

例如，反激式断绝自动平衡架构的特色是效率高，尤其是需要于非相邻电芯之间举行平衡时，这类架构的机能较着优在其他要领。另外一方面，基在多电感及开关电容的自动平衡要领于平衡相邻电芯时体现精彩，节制逻辑更简朴，运行不变且机能强盛。

总之，假如指望简化后的解决方案可以或许实现高平衡效率，则应优先思量基在反激的平衡电路架构。然而，基在反激的平衡电路凡是需要变压器，而利用年夜量变压器会致使成本增长、体系体积增年夜，节制逻辑变患上越发繁杂。是以，当寻求简化设计时，务必于连结高效率的同时，只管即便削减变压器的数目。对于此，轻易想到的一个思绪是让电池包内的所有电芯同享统一反激电路及变压器。

可是，仅仅简化硬件及削减变压器数目还有不敷。节制逻辑及运行计谋的简化也一样主要。自动平衡是一种体系级解决方案，设计职员不仅需要思量利用哪些IC及元件来实现能量传输（属在硬件设计），还有必需紧密亲密存眷平衡计谋，即自动平衡算法的设计（属在体系软件设计）。

一般而言，电池平衡算法的设计取决在所撑持的硬件架构。是以，于简化平衡硬件设计的同时降低算法设计的繁杂度，仍旧是一个必需解决的要害挑战。

一种颠末简化的自动平衡设计

基在上文会商的观点，本文提出了一种简朴而高效的自动平衡解决方案，如图2所示。这类设计具备一个16电芯的电池包，使用两个自力的反激电路及两个变压器：一个用在电芯之间的平衡，另外一个用在电池包之间的平衡。

于电芯间平衡部门，所有16个电芯同享一个基在反激的自动平衡电源电路。经由过程开关矩阵选择性地将平衡电路毗连到差别电芯，实现对于不异硬件资源的分时使用。这类设计既简朴又精良，防止了没必要要的繁杂性，同时连结了高效率及稳健的机能。是以，这类要领于自动平衡体系设计中体现出显著的上风。

此外，这类解决方案撑持单体电芯之间及多个电池包之间的双向平衡，显著加强了跨电池包平衡的有用性。通例解决方案往往依靠外部自力电源（如零丁的12 V或者24 V电池）来撑持电芯间甚至电池包间的平衡，但这类设计则差别，它彻底使用电池包内部的能量实现平衡。如许不仅提高了体系总体效率，还有削减了硬件及软件设计的繁杂度。

关在简化的平衡算法设计，将于本系列文章的第三部门具体会商。然而，这类算法有以下两个要害原则：

1.于电池包内实现真实的双向电芯间平衡会致使设计过在繁杂，是以这类算法依靠中间充电缓冲区来实现间接平衡。详细而言，电池包内的n个相邻电芯被指定为缓冲区。然后经由过程两步流程实现平衡：电芯到缓冲区放电，随后是缓冲区到电芯充电，从而有用模仿单体电芯之间的双向电荷转移。

2.于电芯到缓冲区放电时期，源电芯的能量匀称分配到n个缓冲电芯中。而于缓冲区到电芯充电时期，方针电芯所需的能量匀称地从n个缓冲电芯中获取。

这类要领于简化硬件架构的同时，依然具有高机能平衡能力，于成本、效率与现实运用价值之间实现了抱负均衡，于是成为进步前辈BMS部署的高度实用且可扩大的解决方案。

图2.颠末简化的自动平衡解决方案的示用意，采用LT830六、LT830九、ADP16十二、MAX73十二、MAX32670及ADBMS6830B

为何电池包之间的平衡一样主要

于继承会商建议的解决方案以前，让咱们起首切磋为何电池包之间的平衡也很是主要。

于由BMS及电池包构成的体系中，当BMS事情时，多个电路模块会耗损电力，包括电芯监控、断绝通讯、温度传感器、自动平衡及被动平衡等。然而，让差别BMS电路实现不异的功耗程度很是有挑战性。纵然两个BMS电路的功耗险些不异，但若它们监控的电池包具备差别数目的电芯（其实不稀有），环境也会变患上越发繁杂。

于这类环境下，电芯较少的电池包需要为其电芯监控器提供更年夜的IMONITOR电流。跟着时间推移，供电电流的差异会累积，两个电池包之间的不平衡会变患上越发严峻。假如没有适量的平衡调解，这类差异会致使电池包的容量显著不匹配。是以，电池包之间的平衡一样主要。拜见图3。

图3.电池包之间不匹配环境的示用意

结语

本文先容了市场上常见的几种自动平衡架构。经由过程综合使用每一种架构的上风，咱们提出了一种更具实用性、更能实现简便与高效设计的解决方案。

然而，必需要认可的是，只管这类平衡解决方案看重简便与高效，但于现实运用场景下，任何单一设计都没法轻松解决所有电芯不匹配问题。跟着单体电芯容量从320 Ah晋升到600 Ah，甚至1000 Ah，电芯不匹配问题会越发较着。于这类环境下，任何平衡计谋于部署到电池包以前，都必需举行细心评估及验证。

ADI公司提供的解决方案涵盖了险些所有主流的自动平衡架构，包括本文会商的三种架构。每一种架构都有其长处、局限性及抱负运用场景。体系设计职员可以按照详细需求，矫捷选择适合的解决方案。

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