常见的电池均衡电路介绍

　　在由蓄电池作为储能单元的系统中，由于蓄电池单体往往容量比较低，不能够满足大容量系统的要求，因此需要将蓄电池单体串联，形成蓄电池组以提高供电电压和存储容量，例如在电动汽车、微电网系统等领域大多需要蓄电池串联。由于蓄电池单体自身制作工艺等原因，不同单体之间诸如电解液密度、电极等效电阻等都存在着差异，这些差异导致即便串联蓄电池组每个单体的充放电电流相同，也会使每个单体的容量产生不同，进而影响整个蓄电池组的工作。最坏的情况，在一个蓄电池组中，有一个单体的剩余容量接近为100%,另一个单体的剩余容量为0,则这个蓄电池组既不能充电也不能放电，完全不能使用。因此对蓄电池容量的均衡是非常重要的，尤其是在大量蓄电池单体串联的情况。

　　常用的均衡电路分为主动和被动均衡，我们通常把能量消耗型均衡叫做被动均衡，而把其他均衡称为主动均衡，下面详细介绍。

　　电阻消耗均衡法-被动均衡法

　　电阻消耗均衡法是通过与电池单体连接的电阻，将高于其他单体的能量释放，以达到各单体的均衡，如图1 所示。每个蓄电池单体通过一个三极管与一个电阻连接，通过控制三极管的导通与关断实现蓄电池单体对电阻的放电。该种结构控制简单，放电速度快，可多个单体同时放电。但缺点也很明显，能量消耗大，只能对单体进行放电不能充电，而且其他蓄电池单体要以最低的单体为标准才能实现均衡，效率低。

电阻消耗均衡法结构图

　　主动均衡的具体实施方案有很多种，从理念上可以再分成削高填低型和并联均衡型两大类。通常被质疑主动均衡影响电池寿命的，特指削高填低这类主动均衡。汇总几种典型主动均衡电路在下面。

　　削高填低，就是把已经电压高的电芯的能量转移一部分出来，给电压低的电芯，从而推迟最低单体电压触及放电。截止阈值和最高单体电压触及充电终止阈值的时间，获得系统提升充入电量和放出电量的效果。

　　但是在这个过程中，高电压单体和低电压单体都额外的进行了充放。我们都知道，电池的寿命被称为“循环寿命”，仅仅就这颗电芯来说，额外的充放负担会带来寿命的消耗是一个确定的事，但对电池包系统而言，总体上是延长了系统寿命还是降低了系统寿命，目前还没有看到明确的实验数据予以证明。

　　削高填低的均衡，包括电容式均衡，电感式均衡，变压器式均衡，此三种均衡方式包括充电过程中的均衡以及静置过程的均衡。

　　另外还有一种主动均衡，叫做并联式均衡，它只在充电过程中发挥作用。也有人认为应该在车辆运行中，和放电过程的末尾加入均衡，但一般认为系统电流值的波动比较大，如果依然以单体电压为依据进行均衡，则很可能出现误判，影响均衡效果。当然，随着技术的发展，能够通过其他手段直接对SOC进行准确的推算，则根据SOC进行的均衡，将不会再受到这个问题的困扰。

　　电容式均衡

　　设 B1，B3 电池单体分别为组内电压最高、最低单体。图中所有开关管为常开，当均衡器发出均衡指令时，功率开关管 S1、Q2 闭合，此时单体电池 B1 给电容充电，控制功率开关管的占空比控制充电功率和时间，充电结束后，开关管 S3、Q4 闭合，电容给单体电池 B3 充电，此时电池组内不均衡度降低，均衡结束。

　　电感式均衡

　　充电过程中，开关管 S 闭合，充电机给电池组充电。此时电池组右侧开关管全部断开，均衡系统不开启。设单体电池B1 电压开始明显高于其他电池并达到均衡阈值时，此时均衡系统开启，S1、Q2开关管闭合，电感与单体电池 B1 并联，起到分流的作用，电感储存来自充电机与电池 B1 的能量；当 S1、Q2 开关管置 0，Q3、S4 开关管置 1 时，电感给充电过程的单体电池 B3 释放一定能量。

　　静置过程中，开关管 S 断开，当单体电池 B1 电压高于其他电池并达到均衡阈值时，均衡系统开启，S1、Q2 开关管闭合，电感与单体电池 B1 并联，电感吸收 B1 能量；当 S1、Q2 开关管断开，Q3、S4 开关管闭合时，电感给单体电池 B3释放电量。

　　变压器式均衡

　　基于反激式均衡变压器进行参数设计，即变压器既作为吸收能量源又作为释放能量源，吸收与释放能量的转换在于能量在磁能与电能之间的转换。

　　同样，设单体电池 B1 电压最高，将 S1、Q2 置 1，其他开关管置 0，此时变压器作为吸收能量源，能量由 B1 电池给的电能转换为磁能；S1、Q2 置 0，Q1、S2 置 1，能量由初级绕组传递给次级绕组，能量释放给单体电池 B3，能量由磁能重新转换为电能。

　　并联均衡

　　理想的均衡方式是所有电池能量及端电压相同，并联电池组内单体电池电压始终相等，因为和连通器原理一样，两边水柱永远水平，并联电池也先天性的单体电压高的自发给单体电压低的电池充电。但串联电池组内想要应用此原理，就需要稍微改变原电池组拓扑结构。

　　并联拓扑结构，每节单体电池都有一个单刀双掷的开关继电器，所以 n 节串联电池组内需要 n+1 个继电器。

　　控制原理如下：设电池组内 B4 电压最高，B2 电压最低，控制继电器 S5、S3、Q4、Q2 闭合，此时两节单体电池并联，两单体电池自动均衡，电压趋于一致。该拓扑的缺点是充电过程中不能进行均衡，只能静置去极化时候进行并联均衡。

　　并联均衡，总体上就是在充电过程中，分流充电电流，给电压低的电芯多充电，而电压高的少充电。于是，不必出现“劫富济贫”的过程，避免了最高和最低电压电芯的额外充放电负担，也就不用怀疑均衡过程对个别电芯寿命的影响拖累系统寿命的问题。

　　模组之间的均衡

　　这种形式在实际应用中很少见，但芯片供应商提供的方案蓝本中已经出现了相邻模组可以相互均衡的功能。一种原理图如下。

　　几种均衡方式的比较

 

　　主动均衡的选择

　　业内的经验总结大致如下：

　　1）对于10AH以内的电池组，采用能量消耗型可能是比较好的选择，控制简单。

　　2）对于几十AH的电池组来说，采用一拖多的反激变压器，结合电池采样部分来做电池均衡应该是可行的。

　　3）对于上百AH的电池组来说，可能采用独立的充电模块会好一些，因为上百AH的电池，均衡电流都在10多A左右，如果串联节数再多一些，均衡功率都很大，引线到电池外，采用外部DC-DC或AC-DC均衡也许更安全。

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