摘要
簡單高效，即便不是所有設計人員的共同追求，也是大多數人的目標。本著「簡單致勝」的原則，本文針對電池管理系統 (BMS)，深入探討了一種簡單而高效的主動均衡系統設計原型。
引言
您是否依然認為電芯的主動均衡方案若非複雜昂貴，就是簡單經濟但效率低落？其實，這種看法並不全然源於評估者的主觀偏見，而更多是基於對市面上各類主動均衡方案所做的客觀且公正的分析所得出的判斷。
本系列文章分為三個部分：
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第一部分探討電芯容量不匹配和阻抗不匹配對電池管理系統 (BMS) 電池組（Battery Pack）的影響。
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第二部分介紹市面上幾種傳統的主動均衡解決方案，並分析為什麼過去的設計未能實現簡單高效。文中還會討論為什麼電池組之間的均衡與電芯之間的均衡同樣重要。
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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、演算法、GUI 和均衡性能。
隨著討論從基礎概念逐步進入細緻分析，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 電池組的影響
在 BMS 中，多個電芯通常串聯連接，形成高壓電池組。這種高壓電池組能夠為多種系統供電，包括電動車、高壓儲能系統和不斷電系統 (UPS)。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、充電狀態 (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。
當電芯之間的性能差異較小時，一般不會對電池組的正常運行造成影響，也無需予以特別關注。但一旦電芯之間的性能差異變得足夠顯著，威脅到電池組的正常運作，就必須解決此問題。在以下章節中，電芯之間的顯著性能差異將被稱為「電芯不匹配」。
電芯容量不匹配
如圖 1 所示，如果電池組中有幾個電芯的容量明顯低於其他電芯，則稱這幾個電芯為「弱電芯」。在充電和放電過程中，弱電芯都會帶來問題。在充電過程中，弱電芯會更快達到滿電壓，先於其他電芯充滿電。然而，電池組由多個電芯串聯而成，當弱電芯充滿電時，充電電流並不會自動停止。因此，一旦弱電芯充滿電，整個電池組的充電過程必須立即停止，以避免過充風險，防止危及弱電芯和整個電池組。
圖 1. 電池組充電和放電過程中電芯容量不匹配的影響
類似地，在放電過程中，弱電芯的電壓會更快下降，先於其他電芯更早達到完全放電狀態。同樣，一旦弱電芯完全放電，整個電池組的放電過程必須立即停止，否則就會有過放電風險，也會帶來安全隱患。細心的讀者可能很快就意識到，在包含弱電芯的電池組中，整體容量利用率顯著降低。若沒有電芯均衡，健康的電芯在每次循環中將無法完全充電或完全放電。隨著時間推移，電芯經歷反覆充放電循環，其中弱電芯由於經歷更多的循環，往往會出現更快的容量衰退，從而加劇與其他健康電芯之間的不匹配。
電芯阻抗不匹配
除了電芯容量，另一個需要高度關注的重要參數是電芯阻抗。與容量不匹配類似，阻抗不匹配是指電池組中一個電芯的阻抗與其他電芯的阻抗明顯不同。一些工程師使用電化學阻抗頻譜分析 (EIS) 方法來測量每個電芯的阻抗，並評估它們的健康狀態。健康或相對較新的電芯通常具有較低的阻抗，而老化或不健康的電芯往往具有較高的阻抗。透過以下圖示，可以更直觀地理解阻抗不匹配對電池組性能的影響。
為了便於討論，我們將電池組中阻抗明顯較高的電芯稱為「不健康電芯」。圖 2 直觀地展示了這一現象，將電芯在充放電時的行為簡化為一個由電容和電阻串聯構成的等效電路模型。需要注意的是，這種抽象是為本文的討論而作出的必要簡化。儘管它有助於說明阻抗不匹配的影響，但並不反映真實電芯的實際物理和電氣特性。
圖 2. 電池組充電和放電過程中電芯阻抗不匹配的影響
在充電過程中，內阻較高的不健康電芯在給定的充電電流下，會經歷更大的電壓降。在這種情況下，如果所有電芯都表現出相同的電壓值，不健康電芯存儲的電能實際上更少。如圖所示，不健康電芯在充電過程中具有較小的 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。
在放電過程中，更高的阻抗導致在給定的放電電流下，電壓降更大，功耗更高。因此，不健康電芯的電壓和容量下降速度更快，放電溫度通常也更高。隨著時間推移，經過反覆充放電循環，更高的溫度和老化效應會進一步加速不健康電芯的阻抗增加，從而加劇電池組內的阻抗不匹配問題。
透過分析容量不匹配和阻抗不匹配，細心的讀者可能注意到，儘管這兩種不匹配代表了電芯不均衡的不同方面，但它們最終產生的影響非常相似。無論是容量較低的弱電芯，還是阻抗較高的不健康電芯，它們主要影響的都是電池組的可用容量和工作電壓。含有弱電芯或不健康電芯的電池組，其整體容量利用率和安全工作時間會顯著減少。此外，這些不匹配的電芯會對電池組內表現良好的電芯的安全性和正常運行構成持續威脅。
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。
被動均衡是一種耗散性方法，通常在充電週期中進行。弱電芯的容量較低，因此在相同的充電電流下，其電壓上升得更快。當弱電芯首先達到或接近滿電時，多餘的電能必須立即耗散掉。雖然這種電能耗散會導致熱量產生和熱管理挑戰，但可以延長健康電芯的充電時間，最終會提升電池組的整體運行時間。被動均衡在 BMS 中廣泛採用，大多數電芯監測 IC 都集成了這一功能。
主動均衡則是透過變壓器、電容和電感在電芯之間轉移電能。這種方法在充電和放電週期中均有效，能夠高效地重新分配電荷。雖然被動均衡和主動均衡各有優缺點（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，而是取決於電池系統的容量和規模。
表1. 被動和主動電池均衡的優缺點
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，制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 晶片。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，則可能需要大約兩小時，依此類推。與被動均衡不同，主動均衡不會浪費電能，而是將電能重新分配到其他電芯或電池組，因此能夠提升整體能效，同時減輕 BMS 的熱管理負擔。
結語
本文介紹了電芯容量不匹配和阻抗不匹配對電池組正常運行的影響。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。
作者
Frank Zhang
Frank Zhang 是 ADI 公司中國技術支持中心的應用工程師。他的專業領域是電池管理系統 (BMS)、精密訊號鏈和嵌入式軟體開發。他於 2022 年獲得福州大學電子工程碩士學位，同年加入 ADI 公司。
