延长寿命，保障安全，储能电池中不可或缺的均衡芯片

电子发烧友网报道（文/黄山明）在储能电池快速发展的当下，电池组的容量越来越大，也让其中的电芯越来越多，而多个电芯是通过串联或并联组成，由于生产制造过程中的微小差异，以及长期使用中老化程度的不同，电芯之间会出现电压、容量的不一致性。这时就需要有均衡芯片来减少这种不一致性，确保电池组内左右的电芯保持相近的荷电状态。
 
均衡芯片可以维护电池组中各个单体电池电量的一致性，通过监控电池组的充放电状态以及各个单体电池的电压、电流、温度等参数，并采用相应的控制策略，对电池单体进行充放电过程中的调节，降低电池单体之间的不均衡特性，使得各个单体电池的电量尽可能地保持一致，从而提高整个储能系统的性能和寿命。
 
而均衡芯片中的技术，通常可以归纳为两种，即被动均衡和主动均衡。被动均衡技术，又称为能量耗散式均衡，其工作原理是在每节电芯上并联一个电阻。
 
当某个电芯提前充满，而又需要继续给其他电芯充电时，通过电阻对电压高的电芯以热量形式释放电量，为其他电芯争取更多充电时间。这种方式结构简单，使用广泛，但会降低系统效率，因为通过电阻耗能会产生热量，且均衡时间短，效果不佳，一般均衡时间都在充电周期末期。
 
主动均衡技术，又称非能量耗散式均衡，其原理在充电和放电循环期间，将能量高的电芯内的能量转移到能量低的电芯中去，实现能量在电芯之间的流动。这种方式有助于降低损耗、提升系统可用容量，适用于大容量、高串数的锂电池组应用。主动均衡相比被动均衡能量利用率更高，可以缩短充电时间，并减少均衡时产生的热量。
 
均衡芯片的发展与选择
 
在最初的BMS中，由于均衡技术并不发达，往往仅依赖简单的过充过放保护。随着锂离子电池的广泛应用，对电池管理的要求逐渐提高。到了2000年代初，被动均衡技术开始被广泛应用于消费电子产品中，虽然效率不高，但结构简单，成本较低。
 
到了2010年以后，主动均衡技术逐渐成熟并商用化，尤其是在电动汽车和大型储能系统中。这一时期，更多的半导体公司如Linear Technology（已被ADI收购）推出了如LTC680x系列等专业芯片，支持高精度测量和主动均衡控制。
 
到了如今，随着电池能量密度的提升和应用需求的多样化，电池均衡技术持续创新。出现了更多集成度高、智能化的均衡芯片，有的双向DC-DC主动均衡芯片，还能采用智能算法，不仅提高均衡效率，还延长了电池组的使用寿命。同时，双向同步整流技术、大均衡电流能力以及低能耗成为均衡芯片研发的新趋势，旨在提高均衡效率的同时降低成本。
 
针对均衡芯片，最重要的指标在于均衡效率，均衡效率指的是均衡芯片在执行电芯电压均衡时，能够有效转移能量的比例，即从高电压电芯转移至低电压电芯的能量与实际消耗或转移的能量之比。高均衡效率意味着在均衡过程中能量损失较小，系统整体效能更高。
 
举个例子，假设有一个由4个电芯串联组成的电池包，每个电芯的理想电压为3.7V，总电压应为14.8V。但由于生产差异或使用过程中的不均匀老化，电芯A的电压为3.8V，电芯B、C为3.7V，电芯D为3.6V。此时，电芯间存在电压差异，需要均衡。
 
如果采用一款均衡效率为90%的均衡芯片进行均衡操作，目标是将所有电芯电压调整至3.7V。首先，芯片从电压最高的电芯A转移能量给电压最低的电芯D。理论上，需要从A电芯移出0.1V的电压差，即转移约（0.1V * 容量）/1小时的电荷量。
 
若电池容量为10Ah，那么需要转移的电荷量为0.1Ah（即1000mAh）。在90%的均衡效率下，实际消耗的电能为转移电能的1.11倍，即实际消耗1110mAh的电能来完成这次均衡。
 
这意味着，尽管完成了电芯间电压的均衡，但是有110mAh的能量（即1110mAh-1000mAh）以热能等形式损耗掉了，这部分能量没有被电池系统有效利用。因此，均衡效率越高，表示在相同任务下损耗越小，电池组的能量利用率越高，这对于提升整个储能系统的经济性和续航能力都是非常重要的。
 
此外，还需要考虑均衡芯片的精度与分辨率测量电压和电流的精度直接影响均衡效果，高分辨率的ADC能够更精细地控制电芯电压。以及动态响应，快速响应负载变化和电压波动的能力，对于维持系统稳定性至关重要。
 
小结
 
均衡芯片是现代BMS中不可或缺的一部分，对于优化电池组性能、保障安全运行和延长使用寿命至关重要。随着电池技术的发展和应用领域的拓宽，均衡技术也在不断进步，以满足更高标准和更复杂需求。