基本电池组设计原则 主动均衡和被动均衡的利弊

主动均衡和被动均衡，是电动汽车BMS业界争论热点之一。像极了华山剑派的气宗和剑宗，业内争论的不亦乐乎，业外看的是不明所以。　　

没有均衡的锂电池组就像是得不到保养的发动机，没有均衡功能的BMS只是一个数据采集器，很难称得上是管理系统。主动均衡和被动均衡都是为了消除电池组的不一致性，但两者的实现原理可谓是截然相反。

因为也有人把依靠算法由BMS主动发起的均衡都定义为主动均衡，为避免歧义，这里把凡是使用电阻耗散能量的均衡都称为被动均衡，凡是通过能量转移实现的均衡都称为主动均衡。

基本电池组设计原则

为什么电池要做主被动均衡，首先我们了解一下基本电池组设计原则。

基本电池组设计原则:

·当第一个单电池充满电时，必须停止充电。

·当第一个单电池无电时，放电必须终止。

·弱蓄电池节比强蓄电池老化得更快。

·弱蓄程度最高的电池节将最终限制电池组的可用电量(最弱环节)。

·电池组中的系统温度梯度使运行在较高平均温度的电池节变弱。

·在不使用均衡的情况下，在每个充放电周期中，最弱蓄和最强蓄单电池之间的电压差将增加。最终，其中一个单电将始终接近最大电压，而另外一个单电池接近最低电压→从而阻碍了电池组的充放电能力。

由于这些电池再也不会像它们最初使用时那么互相匹配，而且由于我们的安装方式将使它们处于不同的温度环境中，我必须做好单电池均衡。

锂离子电池主要出现两种不匹配;充电不匹配和容量不匹配。充电不匹配在容量相同的单电池所容纳的充电量逐渐产生差别时出现。容量不匹配出现在同时使用初始容量不同的电池节时。由于电池组通常由几乎在同一时间生产的单电池组装而成，这些单电池的制造工艺也相差无几，所以单电池通常情况下匹配良好。然而，如果电池组由来源不明的单电池组装而成，或者在制造工艺方面差别很大的话，也有可能出现容量不匹配。

主动均衡VS被动均衡

1.目的

电池系统组是由众多电池串联而成的，每一节电池不可能完全一样，当第一个单电池充满电时，必须停止充电。当第一个单电池无电时，放电必须终止。均衡的意义在于利用电子技术，使锂离子电池单体电压偏差保持在预期的范围内，实现整体可用可控，从而保证每个单体电池在正常的使用时不发生损坏，延长其使用寿命。

2.设计比较
被动均衡一般通过电阻放电的方式，对电压较高的电池进行放电，以热量形式释放电量，在充电过程中为其他电池争取更多充电时间。

主动均衡是一种复杂的均衡技术，在充电和放电循环期间，使得电池单元内的电荷得到重新分配，从而缩短充电时间，延长放电使用时间。放电模式下一般采用底部均衡策略，充电模式下一般采用顶部均衡策略。

结语

BMS概念和产品最早是由国外提出，国外半导体厂商最先设计出专用IC,开始只是检测电压和温度，后来均衡的概念提出后，就采用了电阻放电的方法并将这个功能加入到IC中(因为这个放电控制的功能容易集成进芯片里)，现在广泛应用的TI\MAXIM\LINER均有此类芯片在产，有的是将开关驱动做到芯片里，有的甚至试图将开关也做进了芯片里。

从上面的被动均衡原理及示意图中我们可以看出，如果电池组比作木桶，串接的电池就是组成木桶的板，电量低的电池是短板，电量高的就是长板，被动均衡做的工作就是“截长不补短”。电量高的电池中的能量变成热耗散掉，电能使用效率低。不仅如此，因为将电能转变成热量耗散，带来了两难的问题，这就是如果均衡电流大，热量就多，最后如何散热成为问题;如果均衡电流小，那么在大容量电池组中、电量差别大的情况下所起到的电量平衡作用效率很低，要达到平衡需要很长时间，在应用中有种隔靴搔痒的感觉。权衡利弊，所以现在被动均衡的电流一般都在百毫安(100mA)级别。

因为被动均衡的局限，主动均衡的概念得以提出并发展。主动均衡是把高能量电池中的能量转移到低能量电池中，相当于对木板“截长补短”。因为不像被动均衡只有“截”，在如何“补”的问题上业内充分发挥了各自的优势和想象力，主动均衡的方案可谓异彩纷呈。
 

主动均衡带来的好处显而易见：效率高，能量被转移，损耗只是变压器线圈损耗，占比小;均衡电流可以设计的大，达到几安甚至10A级别，均衡见效快。虽然有这些好处，主动均衡也带来了新的问题。首先是结构复杂，尤其是变压器方案。几十串甚至上百串电池需要的开关矩阵如何设计，驱动要怎么控制，这都是令人头痛的问题，所以这也是为什么至今主动均衡功能无法完全集成进专用IC的原因。半导体厂家一直希望能做出大一统的芯片，但在BMS上实在是力有不逮。对BMS整机厂家也是如此，主动均衡电路结构方面，少有厂家的设计可以令人耳目一新，击节叫好。其次是成本问题，复杂的结构必然带来复杂的电路，成本与故障率上升是必然的。

因两种均衡功能各有利弊，在这里小智建议大家电池一致性较好的，可以选择被动均衡，而电池一致性离散程度比较大，则可以考虑选择主动均衡。
 

审核编辑：汤梓红