【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。

•第(di)二(er)部(bu)分(fen)介(jie)紹(shao)市(shi)麵(mian)上(shang)幾(ji)種(zhong)傳(chuan)統(tong)的(de)主(zhu)動(dong)均(jun)衡(heng)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)，並(bing)分(fen)析(xi)為(wei)什(shen)麼(me)過(guo)去(qu)的(de)設(she)計(ji)未(wei)能(neng)實(shi)現(xian)簡(jian)單(dan)高(gao)效(xiao)。文(wen)中(zhong)還(hai)會(hui)討(tao)論(lun)為(wei)什(shen)麼(me)電(dian)池(chi)包(bao)之(zhi)間(jian)的(de)均(jun)衡(heng)與(yu)電(dian)芯(xin)之(zhi)間(jian)的(de)均(jun)衡(heng)同(tong)樣(yang)重(zhong)要(yao)。

•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。

當dang電dian芯xin之zhi間jian的de性xing能neng差cha異yi較jiao小xiao時shi
，一yi般ban不bu會hui對dui電dian池chi包bao的de正zheng常chang運yun行xing造zao成cheng影ying響xiang
，也ye無wu需xu予yu以yi特te別bie關guan注zhu。但dan一yi旦dan電dian芯xin之zhi間jian的de性xing能neng差cha異yi變bian得de足zu夠gou顯xian著zhu，威wei脅xie到dao電dian池chi包bao的de正zheng常chang運yun作zuo，就jiu必bi須xu解jie決jue此ci問wen題ti。在zai以yi下xia章zhang節jie中zhong
，電dian芯xin之zhi間jian的de顯xian著zhu性xing能neng差cha異yi將jiang被bei稱cheng為wei電dian芯xin不bu匹pi配pei。

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。

類lei似si地di，在zai放fang電dian過guo程cheng中zhong，弱ruo電dian芯xin的de電dian壓ya會hui更geng快kuai下xia降jiang，先xian於yu其qi他ta電dian芯xin更geng早zao達da到dao完wan全quan放fang電dian狀zhuang態tai。同tong樣yang，一yi旦dan弱ruo電dian芯xin完wan全quan放fang電dian
，整zheng個ge電dian池chi包bao的de放fang電dian過guo程cheng必bi須xu立li即ji停ting止zhi，否fou則ze就jiu會hui有you過guo放fang電dian風feng險xian，也ye會hui帶dai來lai安an全quan隱yin患huan。細xi心xin的de讀du者zhe可ke能neng很hen快kuai就jiu意yi識shi到dao，在zai包bao含han弱ruo電dian芯xin的de電dian池chi包bao中zhong
，整zheng體ti容rong量liang利li用yong率lv顯xian著zhu降jiang低di。若ruo沒mei有you電dian芯xin均jun衡heng，健jian康kang的de電dian芯xin在zai每mei次ci循xun環huan中zhong將jiang無wu法fa完wan全quan充chong電dian或huo完wan全quan放fang電dian。隨sui著zhe時shi間jian推tui移yi，電dian芯xin經jing曆li反fan複fu充chong放fang電dian循xun環huan

，其qi中zhong弱ruo電dian芯xin由you於yu經jing曆li更geng多duo的de循xun環huan，往wang往wang會hui出chu現xian更geng快kuai的de容rong量liang衰shuai減jian

，從cong而er加jia劇ju與yu其qi他ta健jian康kang電dian芯xin之zhi間jian的de不bu匹pi配pei。

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)方(fang)法(fa)來(lai)測(ce)量(liang)每(mei)個(ge)電(dian)芯(xin)的(de)阻(zu)抗(kang)
，並(bing)評(ping)估(gu)它(ta)們(men)的(de)健(jian)康(kang)狀(zhuang)態(tai)。健(jian)康(kang)或(huo)相(xiang)對(dui)較(jiao)新(xin)的(de)電(dian)芯(xin)通(tong)常(chang)具(ju)有(you)較(jiao)低(di)的(de)阻(zu)抗(kang)，而(er)老(lao)化(hua)或(huo)不(bu)健(jian)康(kang)的(de)電(dian)芯(xin)往(wang)往(wang)具(ju)有(you)較(jiao)高(gao)的(de)阻(zu)抗(kang)。通(tong)過(guo)以(yi)下(xia)圖(tu)示(shi)
，可(ke)以(yi)更(geng)直(zhi)觀(guan)地(di)理(li)解(jie)阻(zu)抗(kang)不(bu)匹(pi)配(pei)對(dui)電(dian)池(chi)包(bao)性(xing)能(neng)的(de)影(ying)響(xiang)。

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deVcell_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。

zaifangdianguochengzhong
，genggaodezukangdaozhizaigeidingdefangdiandianliuxia，dianyajianggengda，gonghaogenggao。yinci，bujiankangdianxindedianyaherongliangxiajiangsudugengkuai，fangdianwendutongchangyegenggao。suizheshijiantuiyi，jingguofanfuchongfangdianxunhuan，genggaodewenduhelaohuaxiaoyinghuijinyibujiasubujiankangdianxindezukangzengjia
，congerjiajudianchibaoneidezukangbupipeiwenti。

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。

被bei動dong均jun衡heng是shi一yi種zhong耗hao散san性xing方fang法fa，通tong常chang在zai充chong電dian周zhou期qi中zhong進jin行xing。弱ruo電dian芯xin的de容rong量liang較jiao低di
，因yin此ci在zai相xiang同tong的de充chong電dian電dian流liu下xia，其qi電dian壓ya上shang升sheng得de更geng快kuai。當dang弱ruo電dian芯xin首shou先xian達da到dao或huo接jie近jin滿man電dian時shi，多duo餘yu的de電dian能neng必bi須xu立li即ji耗hao散san掉diao。雖sui然ran這zhe種zhong電dian能neng耗hao散san會hui導dao致zhi熱re量liang產chan生sheng和he熱re管guan理li挑tiao戰zhan，但dan可ke以yi延yan長chang健jian康kang電dian芯xin的de充chong電dian時shi間jian，最zui終zhong會hui提ti升sheng電dian池chi包bao的de整zheng體ti運yun行xing時shi間jian。被bei動dong均jun衡heng在zaiBMS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(qing)BMS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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