【導讀】在電池管理係統（BMS）設計中，複雜電路與高成本常成為開發瓶頸。本文聚焦於主動均衡技術

，提出一套“簡單製勝”的設計原型，在不犧牲性能的前提下，通過精簡結構實現高效能量調配
，為工程師提供一種兼具可靠性與實用性的創新解決方案。

摘要

在電池管理係統（BMS）設計中，複雜電路與高成本常成為開發瓶頸。本文聚焦於主動均衡技術，提出一套“簡單製勝”的設計原型
，在不犧牲性能的前提下，通過精簡結構實現高效能量調配，為工程師提供一種兼具可靠性與實用性的創新解決方案。

引言

您nin是shi否fou依yi然ran認ren為wei電dian芯xin的de主zhu動dong均jun衡heng方fang案an要yao麼me複fu雜za昂ang貴gui，要yao麼me簡jian單dan經jing濟ji但dan效xiao率lv低di下xia？其qi實shi，這zhe種zhong看kan法fa並bing不bu全quan然ran源yuan於yu評ping估gu者zhe的de主zhu觀guan偏pian見jian，而er更geng多duo是shi基ji於yu對dui市shi麵mian上shang各ge類lei主zhu動dong均jun衡heng方fang案an所suo做zuo的de客ke觀guan且qie公gong正zheng的de分fen析xi所suo得de出chu的de判pan斷duan。

本係列文章分為三個部分：

•第一部分探討電芯容量不匹配和阻抗不匹配對電池管理係統(BMS)電池包的影響。

•dierbufenjieshaoshimianshangjizhongchuantongdezhudongjunhengjiejuefangan
，bingfenxiweishenmeguoqudeshejiweinengshixianjiandangaoxiao。wenzhonghaihuitaolunweishenmedianchibaozhijiandejunhengyudianxinzhijiandejunhengtongyangzhongyao。

•第三部分深入評估一個簡單高效的主動均衡原型，包括電路設計、算法、GUI和均衡性能。

隨著討論從基礎概念逐步進入細致分析，無論是BMS和主動均衡領域的專業人士和工程師，還是僅僅因標題而產生興趣的普通讀者，都能從中獲得有價值的見解和啟示。

電芯不匹配對BMS電池包的影響

在BMS中，多個電芯通常串聯連接，形成高壓電池包。這種高壓電池包能夠為多種係統供電
，包括電動汽車、高壓儲能係統和不間斷電源。對於這些串聯連接的電芯，理想的工作條件是所有電芯具有一致的參數，例如一致的電芯電壓
、內阻
、荷電狀態(SoC)、健康狀態(SoH)和工作溫度。

實際上，當一批全新電芯剛剛由製造商生產出來時
，它們的性能和指標通常是一致的。但在投入實際使用後
，隨著電芯的老化，負載、環境溫度和濕度、充電循環次數等因素會導致電芯性能不可避免地出現差異。

dangdianxinzhijiandexingnengchayijiaoxiaoshi
，yibanbuhuiduidianchibaodezhengchangyunxingzaochengyingxiang，yewuxuyuyitebieguanzhu。danyidandianxinzhijiandexingnengchayibiandezugouxianzhu，weixiedaodianchibaodezhengchangyunzuo，jiubixujiejueciwenti。zaiyixiazhangjiezhong，dianxinzhijiandexianzhuxingnengchayijiangbeichengweidianxinbupipei。

電芯容量不匹配

如圖1suoshi

，ruguodianchibaozhongyoujigedianxinderongliangmingxiandiyuqitadianxin

，zechengzhejigedianxinweiruodianxin。zaichongdianhefangdianguochengzhong，ruodianxindouhuidailaiwenti。zaichongdianguochengzhong

，ruodianxinhuigengkuaidadaomandianya
，xianyuqitadianxinchongmandian。raner，dianchibaoyouduogedianxinchuanlianercheng，dangruodianxinchongmandianshi
，chongdiandianliubingbuhuizidongtingzhi。yinci，yidanruodianxinchongmandian
，zhenggedianchibaodechongdianguochengbixulijitingzhi
，yibimianguochongfengxian，fangzhiweijiruodianxinhezhenggedianchibao。

leisidi
，zaifangdianguochengzhong
，ruodianxindedianyahuigengkuaixiajiang，xianyuqitadianxingengzaodadaowanquanfangdianzhuangtai。tongyang
，yidanruodianxinwanquanfangdian
，zhenggedianchibaodefangdianguochengbixulijitingzhi

，fouzejiuhuiyouguofangdianfengxian，yehuidailaianquanyinhuan。xixindeduzhekenenghenkuaijiuyishidao，zaibaohanruodianxindedianchibaozhong，zhengtirongliangliyonglvxianzhujiangdi。ruomeiyoudianxinjunheng，jiankangdedianxinzaimeicixunhuanzhongjiangwufawanquanchongdianhuowanquanfangdian。suizheshijiantuiyi

，dianxinjinglifanfuchongfangdianxunhuan，qizhongruodianxinyouyujingligengduodexunhuan
，wangwanghuichuxiangengkuaiderongliangshuaijian

，congerjiajuyuqitajiankangdianxinzhijiandebupipei。

圖1.電池包充電和放電過程中電芯容量不匹配的影響

電芯阻抗不匹配

除chu了le電dian芯xin容rong量liang，另ling一yi個ge需xu要yao高gao度du關guan注zhu的de重zhong要yao參can數shu是shi電dian芯xin阻zu抗kang。與yu容rong量liang不bu匹pi配pei類lei似si
，阻zu抗kang不bu匹pi配pei是shi指zhi電dian池chi包bao中zhong一yi個ge電dian芯xin的de阻zu抗kang與yu其qi他ta電dian芯xin的de阻zu抗kang明ming顯xian不bu同tong。一yi些xie工gong程cheng師shi使shi用yong電dian化hua學xue阻zu抗kang譜pu分fen析xi(EIS)fangfalaiceliangmeigedianxindezukang，bingpinggutamendejiankangzhuangtai。jiankanghuoxiangduijiaoxindedianxintongchangjuyoujiaodidezukang

，erlaohuahuobujiankangdedianxinwangwangjuyoujiaogaodezukang。tongguoyixiatushi，keyigengzhiguandilijiezukangbupipeiduidianchibaoxingnengdeyingxiang。

為了便於討論
，我們將電池包中阻抗明顯較高的電芯稱為不健康電芯。圖2直(zhi)觀(guan)地(di)展(zhan)示(shi)了(le)這(zhe)一(yi)現(xian)象(xiang)
，將(jiang)電(dian)芯(xin)在(zai)充(chong)放(fang)電(dian)時(shi)的(de)行(xing)為(wei)簡(jian)化(hua)為(wei)一(yi)個(ge)由(you)電(dian)容(rong)和(he)電(dian)阻(zu)串(chuan)聯(lian)構(gou)成(cheng)的(de)等(deng)效(xiao)電(dian)路(lu)模(mo)型(xing)。需(xu)要(yao)注(zhu)意(yi)的(de)是(shi)，這(zhe)種(zhong)抽(chou)象(xiang)是(shi)為(wei)本(ben)文(wen)的(de)討(tao)論(lun)而(er)作(zuo)出(chu)的(de)必(bi)要(yao)簡(jian)化(hua)。盡(jin)管(guan)它(ta)有(you)助(zhu)於(yu)說(shuo)明(ming)阻(zu)抗(kang)不(bu)匹(pi)配(pei)的(de)影(ying)響(xiang)
，但(dan)並(bing)不(bu)反(fan)映(ying)真(zhen)實(shi)電(dian)芯(xin)的(de)實(shi)際(ji)物(wu)理(li)和(he)電(dian)氣(qi)特(te)性(xing)。

在(zai)充(chong)電(dian)過(guo)程(cheng)中(zhong)，內(nei)阻(zu)較(jiao)高(gao)的(de)不(bu)健(jian)康(kang)電(dian)芯(xin)在(zai)給(gei)定(ding)的(de)充(chong)電(dian)電(dian)流(liu)下(xia)
，會(hui)經(jing)曆(li)更(geng)大(da)的(de)電(dian)壓(ya)降(jiang)。在(zai)這(zhe)種(zhong)情(qing)況(kuang)下(xia)，如(ru)果(guo)所(suo)有(you)電(dian)芯(xin)都(dou)表(biao)現(xian)出(chu)相(xiang)同(tong)的(de)電(dian)壓(ya)值(zhi)
，不(bu)健(jian)康(kang)電(dian)芯(xin)存(cun)儲(chu)的(de)電(dian)能(neng)實(shi)際(ji)上(shang)更(geng)少(shao)。如(ru)圖(tu)所(suo)示(shi)
，不(bu)健(jian)康(kang)電(dian)芯(xin)在(zai)充(chong)電(dian)過(guo)程(cheng)中(zhong)具(ju)有(you)較(jiao)小(xiao)的(de)Vcell_actual值。此外，由於其阻抗造成的功率損耗更高，不健康的功率電芯通常會經受更高的充電溫度。

在(zai)放(fang)電(dian)過(guo)程(cheng)中(zhong)
，更(geng)高(gao)的(de)阻(zu)抗(kang)導(dao)致(zhi)在(zai)給(gei)定(ding)的(de)放(fang)電(dian)電(dian)流(liu)下(xia)
，電(dian)壓(ya)降(jiang)更(geng)大(da)，功(gong)耗(hao)更(geng)高(gao)。因(yin)此(ci)，不(bu)健(jian)康(kang)電(dian)芯(xin)的(de)電(dian)壓(ya)和(he)容(rong)量(liang)下(xia)降(jiang)速(su)度(du)更(geng)快(kuai)，放(fang)電(dian)溫(wen)度(du)通(tong)常(chang)也(ye)更(geng)高(gao)。隨(sui)著(zhe)時(shi)間(jian)推(tui)移(yi)，經(jing)過(guo)反(fan)複(fu)充(chong)放(fang)電(dian)循(xun)環(huan)，更(geng)高(gao)的(de)溫(wen)度(du)和(he)老(lao)化(hua)效(xiao)應(ying)會(hui)進(jin)一(yi)步(bu)加(jia)速(su)不(bu)健(jian)康(kang)電(dian)芯(xin)的(de)阻(zu)抗(kang)增(zeng)加(jia)，從(cong)而(er)加(jia)劇(ju)電(dian)池(chi)包(bao)內(nei)的(de)阻(zu)抗(kang)不(bu)匹(pi)配(pei)問(wen)題(ti)。

圖2.電池包充電和放電過程中電芯阻抗不匹配的影響

通(tong)過(guo)分(fen)析(xi)容(rong)量(liang)不(bu)匹(pi)配(pei)和(he)阻(zu)抗(kang)不(bu)匹(pi)配(pei)，細(xi)心(xin)的(de)讀(du)者(zhe)可(ke)能(neng)注(zhu)意(yi)到(dao)，盡(jin)管(guan)這(zhe)兩(liang)種(zhong)不(bu)匹(pi)配(pei)代(dai)表(biao)了(le)電(dian)芯(xin)不(bu)均(jun)衡(heng)的(de)不(bu)同(tong)方(fang)麵(mian)
，但(dan)它(ta)們(men)最(zui)終(zhong)產(chan)生(sheng)的(de)影(ying)響(xiang)非(fei)常(chang)相(xiang)似(si)。無(wu)論(lun)是(shi)容(rong)量(liang)較(jiao)低(di)的(de)弱(ruo)電(dian)芯(xin)，還(hai)是(shi)阻(zu)抗(kang)較(jiao)高(gao)的(de)不(bu)健(jian)康(kang)電(dian)芯(xin)

，它(ta)們(men)主(zhu)要(yao)影(ying)響(xiang)的(de)都(dou)是(shi)電(dian)池(chi)包(bao)的(de)可(ke)用(yong)容(rong)量(liang)和(he)工(gong)作(zuo)電(dian)壓(ya)。含(han)有(you)弱(ruo)電(dian)芯(xin)或(huo)不(bu)健(jian)康(kang)電(dian)芯(xin)的(de)電(dian)池(chi)包(bao)，其(qi)整(zheng)體(ti)容(rong)量(liang)利(li)用(yong)率(lv)和(he)安(an)全(quan)工(gong)作(zuo)時(shi)間(jian)會(hui)顯(xian)著(zhu)減(jian)少(shao)。此(ci)外(wai)，這(zhe)些(xie)不(bu)匹(pi)配(pei)的(de)電(dian)芯(xin)會(hui)對(dui)電(dian)池(chi)包(bao)內(nei)表(biao)現(xian)良(liang)好(hao)的(de)電(dian)芯(xin)的(de)安(an)全(quan)性(xing)和(he)正(zheng)常(chang)運(yun)行(xing)構(gou)成(cheng)持(chi)續(xu)威(wei)脅(xie)。

BMS中的被動/主動均衡至關重要

基於上文關於電芯不匹配問題的討論，理解BMS中被動和主動均衡的應用就會容易得多。

beidongjunhengshiyizhonghaosanxingfangfa，tongchangzaichongdianzhouqizhongjinxing。ruodianxinderongliangjiaodi
，yincizaixiangtongdechongdiandianliuxia，qidianyashangshengdegengkuai。dangruodianxinshouxiandadaohuojiejinmandianshi，duoyudediannengbixulijihaosandiao。suiranzhezhongdiannenghaosanhuidaozhireliangchanshenghereguanlitiaozhan，dankeyiyanchangjiankangdianxindechongdianshijian，zuizhonghuitishengdianchibaodezhengtiyunxingshijian。beidongjunhengzaiBMS中廣泛采用，大多數電芯監測IC都集成了這一功能。

主動均衡則是通過變壓器
、電(dian)容(rong)和(he)電(dian)感(gan)在(zai)電(dian)芯(xin)之(zhi)間(jian)轉(zhuan)移(yi)電(dian)能(neng)。這(zhe)種(zhong)方(fang)法(fa)在(zai)充(chong)電(dian)和(he)放(fang)電(dian)周(zhou)期(qi)中(zhong)均(jun)有(you)效(xiao)
，能(neng)夠(gou)高(gao)效(xiao)地(di)重(zhong)新(xin)分(fen)配(pei)電(dian)荷(he)。雖(sui)然(ran)被(bei)動(dong)均(jun)衡(heng)和(he)主(zhu)動(dong)均(jun)衡(heng)各(ge)有(you)優(you)缺(que)點(dian)（如表1所總結），但在實際BMS設計中，選擇哪種均衡方法並非簡單地基於優缺點的直接比較，而是取決於電池係統的容量和規模。

通常，均衡電流設為電芯容量的約1%到5%。例如，在一個4 Ah鋰電芯中
，如果均衡電荷是容量的5%
，則需要進行200 mAh的均衡。這種情形非常適合被動均衡，BMS設計人員可實現一個200 mA被動均衡電路
，在大約一小時內完成電荷耗散
，或實現一個100 mA電路
，在兩小時內完成電荷耗散。最終，設計人員可以根據所選的電芯監測IC的被動均衡電流能力和電芯容量，製定具有針對性的被動均衡策略。

作為對比，考慮一個300 Ah高容量儲能電芯

，5%的均衡電荷相當於15 Ah。即便使用300 mA的被動均衡電流（已經相當高），也需要50多個小時才能完成均衡。實際的均衡時間會更長，因為在單個電芯通道上長時間地持續進行被動均衡會導致過熱，並可能損壞BMS芯片。因此，主動均衡對於高容量電芯是必不可少的。

例如，如果一個主動均衡電路可以處理15 A的電荷轉移電流，則15 Ah的不均衡可在大約一小時內得到糾正。如果容量為7.5 A，則ze可ke能neng需xu要yao大da約yue兩liang小xiao時shi，依yi此ci類lei推tui。與yu被bei動dong均jun衡heng不bu同tong
，主zhu動dong均jun衡heng不bu會hui浪lang費fei電dian能neng，而er是shi將jiang電dian能neng重zhong新xin分fen配pei到dao其qi他ta電dian芯xin或huo電dian池chi包bao，因yin此ci能neng夠gou提ti升sheng整zheng體ti能neng效xiao，同tong時shi減jian輕qingBMS的熱管理負擔。

表1.被動和主動電池均衡的優缺點

結語

本文介紹了電芯容量不匹配和阻抗不匹配對電池包正常運行的影響。文中還概述了BMS中的被動均衡和主動均衡方法
，為後續文章的進一步討論奠定了基礎。

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