?主動均衡技術(shù)?是一種電子技術(shù)，主要用于在多個電池或電池組之間實現(xiàn)能量均衡，以提高電池組的性能和壽命。通過監(jiān)測每個電池的狀態(tài)，主動均衡系統(tǒng)可以調(diào)節(jié)電流或功率，使得各個電池的充放電狀態(tài)保持一致。主動均衡技術(shù)的主要目的是保持電池組中每個單體電池的電壓在安全范圍內(nèi)，避免過充或過放，從而延長電池的使用壽命并提高其性能?12。

主動均衡技術(shù)的原理

主動均衡技術(shù)通過外部電路將電荷從電壓較高的單體電池轉(zhuǎn)移到電壓較低的單體電池。具體實現(xiàn)方式包括電荷再分配技術(shù)和電流注入技術(shù)：

?電荷再分配技術(shù)?：利用MOSFET等電子元件，BMS系統(tǒng)可以精確控制單體電池間的電荷流動，直至所有電池達(dá)到平衡狀態(tài)?1。

?電流注入技術(shù)?：通過在需要均衡的單體電池間放置低阻值電阻，并在適當(dāng)時候通過這些電阻注入電流，直到單體電池的電壓匹配為止?1。

主動均衡技術(shù)的應(yīng)用場景

主動均衡技術(shù)廣泛應(yīng)用于需要快速充電和高功率輸出的應(yīng)用中，如電動汽車。在這些應(yīng)用中，主動均衡技術(shù)能夠迅速響應(yīng)電池狀態(tài)的變化，確保電池組的穩(wěn)定運行和高效能量管理?1。此外，主動均衡技術(shù)也適用于大容量、高串?dāng)?shù)的鋰電池組應(yīng)用，能夠快速有效地補償電池組產(chǎn)生的差異，確保電池一致性，延長電池組的使用壽命和平均無故障時間?3。

一、主動均衡概述

電感變壓器是電路中常用的電子元件，用于變換電壓和電流。在實際應(yīng)用中，由于電感變壓器的制造精度以及電路布局等因素的影響，往往會導(dǎo)致電感變壓器的性能出現(xiàn)不平衡的現(xiàn)象，例如多個電感變壓器的漏感比例不同，將會導(dǎo)致電路諧振頻率波動、電流不平衡等問題，進(jìn)而導(dǎo)致電路的效率下降和穩(wěn)定性降低。

主動均衡技術(shù)應(yīng)運而生，它利用線圈電流和磁場間的關(guān)系來調(diào)節(jié)漏感比例，從而實現(xiàn)電感變壓器的主動均衡。

二、主動均衡原理

電感變壓器中的磁場是由線圈電流產(chǎn)生的，當(dāng)電流變化時，磁場強度也會相應(yīng)變化，從而導(dǎo)致磁感線的位置和方向發(fā)生變化。在電感變壓器中，漏感是指磁通量沒有經(jīng)過的線圈所產(chǎn)生的磁通量，漏感大小決定了磁場強度的變化，也就決定了電感變壓器的性能。

主動均衡技術(shù)將一個附加的線圈接在電感變壓器的兩端，通過改變附加線圈的磁通量來調(diào)節(jié)電感變壓器的漏感比例，從而達(dá)到主動均衡的效果。

當(dāng)電流經(jīng)過附加線圈時，附加線圈產(chǎn)生的磁場會抵消電感變壓器的漏感磁場，從而使漏感比例改變。如果主電路的電流不同，附加線圈中的電流也會不同，因此可以通過改變附加線圈的電流來實現(xiàn)主動均衡。

三、主動均衡的優(yōu)勢

1. 提高效率：當(dāng)電感變壓器經(jīng)過均衡后，漏感比例相等，從而減小了電路的諧振頻率波動，提高了電路的效率。

2. 提高穩(wěn)定性：由于主動均衡可以抵消電感變壓器的不平衡現(xiàn)象，從而避免了電流不平衡導(dǎo)致的電路失效等問題，提高了電路的穩(wěn)定性和可靠性。

3. 降低成本：主動均衡技術(shù)可以替代傳統(tǒng)的被動均衡技術(shù)，無需使用大量的電解電容器等元器件，降低了電路制造成本。

新能源汽車體系內(nèi)，無論是混合動力(HEV)還是電動汽車(EV)離不開作為儲能介質(zhì)的動力電池，目前鋰離子電池已經(jīng)占據(jù)了汽車動力電池的主導(dǎo)地位，為了實現(xiàn)更長的續(xù)航里程，通常需要多節(jié)電池串/并聯(lián)組成電池組使用，考慮到汽車對能量、功率和環(huán)境的要求，安全、可靠地使用大型鋰離子電池組絕對不是一個簡單的任務(wù)。因此需要采用適當(dāng)?shù)碾姵毓芾硐到y(tǒng)，才能充分利用新型鋰電池的優(yōu)勢。

1.1主動均衡技術(shù)在電動汽車電池管理中的必要性

1.1.1電動汽車電池組系統(tǒng)架構(gòu)

鋰電池儲能能力強，但單個電池的電壓和電流都太低，不足以滿足混合動力電機的需要。為增加電流需將多個電池并聯(lián)起來，為獲得更高的電壓，則要把多個電池串聯(lián)起來。單個鋰電池的電壓一般介于3.3～3.6V之間。例如，將多達(dá)12 個電池串聯(lián)組成一個電池塊(block)輸出電壓介于30～45V 之間，而混合動力汽車驅(qū)動需要336V左右的直流電源電壓，因此通常需要8-10個電池塊(block)串聯(lián)起來使用，意味著電動汽車的電池組是數(shù)量眾多的的單體電池組成(100節(jié)以上)。

1.1.2 平衡的必要性

電池組中的單體電池，制造和使用條件的不同，特性是存在差異的。而這些差異，如果在充、放電過程中沒有得到應(yīng)有的控制，將進(jìn)一步加大，日積月累，可能會明顯地減低整個電池組的表現(xiàn)，導(dǎo)致部分電池發(fā)生過充、過放電現(xiàn)象，造成電池容量和壽命的急劇下降，降低車輛的續(xù)航里程甚至電池組的損壞，統(tǒng)計上表現(xiàn)為電池組中的單個電池單元容量的正態(tài)分布的均值左移，且峭度逐漸減小。在經(jīng)過一段時間的使用后，將會有一小部分電池單元的有效容量接近于零，導(dǎo)致失效。因此，為了提高整個電池組的壽命，如何均衡這些老化較快的電池單元也是電池管理系統(tǒng)設(shè)計者需要考慮的一個重要課題。

1.1.3 電池的工作電壓范圍

電池一旦電壓超出允許范圍，鋰電池很容易被損壞(見圖1.1.3)。如果超出電壓的上限和下限(例如，nanophosphate鋰電池的電壓上限和下限分別為3.6V和2V)，電池就可能會受到不可逆的損壞，至少也會增加電池的自放電率。在相當(dāng)寬的荷電狀態(tài)范圍內(nèi)，輸出電壓可以保持穩(wěn)定，因此正常情況下超出安全范圍的可能性比較小。但是，在接近安全范圍上限和下限的區(qū)域，變化曲線非常陡峭。作為預(yù)防措施，仔細(xì)監(jiān)測電壓水平非常必要。

圖1.1.3：鋰電池(nanophosphate型)的放電特性。

當(dāng)電池電壓接近臨界值時，必須立即停止放電或充電。平衡電路的功能就是調(diào)節(jié)相應(yīng)電池的電壓，使其保持在安全區(qū)域。為了達(dá)到這個目的，當(dāng)電池組中任一電池的電壓與其他電池不同時，就必須將能量在電池之間進(jìn)行轉(zhuǎn)移。

1.2 采用基于變壓器主動均衡方案的優(yōu)勢

1.2.1 被動均衡法

在傳統(tǒng)被動均衡的電池管理系統(tǒng)中，每個電池單元都通過一個開關(guān)連接到一個負(fù)載電阻。這種被動電路可以對個別被選中的單元放電。該方法只適用于在充電模式下抑制最強電池單元的電壓攀升。被動均衡方式的優(yōu)點是電路結(jié)構(gòu)簡單，成本較低。但是其缺點也很明顯，它只能做充電均衡。同時，在充電均衡過程中，多余的能量是作為熱量釋放掉的，使得整個系統(tǒng)的效率低、功耗高。有些場合為限制功耗，電路一般只允許以100mA左右的小電流放電，從而導(dǎo)致充電平衡耗時可高達(dá)幾小時。

圖1.2.1：被動均衡典型電路結(jié)構(gòu)。

1.2.2 基于變壓器的主動平衡法：

相關(guān)資料中有很多種主動平衡法，均需要一個用于轉(zhuǎn)移能量的存儲元件。如果用電容來做存儲元件，將其與所有電池單元相連就需要龐大的開關(guān)陣列。

更有效的方法是將基于電感設(shè)計的主動平衡電路。關(guān)鍵元件是一個變壓器，其作用是實現(xiàn)能量在單體電池之間轉(zhuǎn)移，該電路是按照反激變壓器原理構(gòu)造的。該變壓器兩側(cè)分別做了如下連接：

a. 初級線圈與整個電池組相連

b. 次級線圈與每個電池單元相連

該方案可以完整地實現(xiàn)在充電和放電時的實時均衡，發(fā)揮出每節(jié)電池的潛力。保證充電時每節(jié)電池都能夠充滿，放電時每節(jié)電池都能放至最低的極限，充放電過程中每節(jié)電池也能夠保持相同的電壓，使電池組的每個節(jié)電池的能力能得到最充分的發(fā)揮。

1.2.3采用基于變壓器主動均衡方案的優(yōu)勢

1)可以實現(xiàn)底部均衡

相對被動平衡，不僅提供低頂部均衡，也可以實現(xiàn)底部均衡，當(dāng)某節(jié)電池電壓過低時，通過接在電池組上的繞組可以把電池組的能量轉(zhuǎn)移到該節(jié)電池上，提高的系統(tǒng)能量的利用率

2)系統(tǒng)效率高損耗低

控制系統(tǒng)在在不進(jìn)行充放電時，靜態(tài)電流小于2μA。充電或放電時系統(tǒng)均衡電路自動開啟，控制部分的總功耗小于1 W。均衡電流的有效值達(dá)到5 A 以上，峰值達(dá)到20 A。通過放電和充電過程中的實際均衡功率測試看，該方案轉(zhuǎn)移能量的利用效率都達(dá)到了85% 以上。其余15% 的能量，除了供給電路部分(單片機，電源芯片等)外，只有少部分是消耗在變壓器、MOSFET 和線路內(nèi)阻中的。

2 均衡方法

采用一個反激式變壓器作為核心，通過磁場與電場的轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)能量在單個電池單元與整個電池組間雙向傳遞。當(dāng)某節(jié)電池電壓過高時，可以通過并接在該電池上的繞組將多余的能量轉(zhuǎn)移到整個電池組上去，這個過程我們稱之為頂部均衡法。當(dāng)某節(jié)電池電壓過低時，通過接在電池組上的繞組可以把電池組的能量轉(zhuǎn)移到該節(jié)電池上，這個過程我們稱之為底部均衡法。

2.1 頂部均衡

如果某個電池單元的電壓高于其他單元，那么就需要將其中的能量導(dǎo)出，這在充電模式下尤其必要。如果不進(jìn)行均衡，充電過程在第一塊電池單元充滿之后就不得不立即停止。均衡可以保持所有電池單元的電壓相等而避免發(fā)生過早停止充電的情況。圖2.1給出了頂部平衡模式下的能量流動情況。在電壓掃描之后，發(fā)現(xiàn)電池單元5 是整個電池組中電壓最高的單元。此時閉合開關(guān)sec5，電流從電池流向變壓器。在開關(guān)sec5 斷開后閉合主開關(guān)，此時，變壓器就從儲能模式進(jìn)入了能量輸出模式。能量通過初級線圈送入整個電池組。

2.2 底部均衡

底部均衡法中的電流和時序條件與頂部均衡法非常類似，只是順序和電流的方向與頂部均衡法相反。掃描發(fā)現(xiàn)電池單元2 是最弱的單元，必須對其進(jìn)行補充充電。此時閉合主開關(guān)“( prim”)，電池組開始對變壓器充電。主開關(guān)斷開后，變壓器存儲的能量就可以轉(zhuǎn)移至選定的電池單元。相應(yīng)的次級“( sec”)開關(guān)在本例中是開關(guān)sec2 閉合后，就開始能量轉(zhuǎn)移。尤其是當(dāng)某個電池單元的電壓已經(jīng)達(dá)到SoC 的下限時，底部平衡法能夠幫助延長整個電池組的工作時間。只要電池組提供的電流低于平均平衡電流就能持續(xù)放電，直到最后一塊電池單元也被耗盡。

2. 3 電池組間均衡法

如圖2.3所示，閉合其中一個電池組的電子開關(guān)SP1 和SP2，就可以對最左邊的繞組的初級進(jìn)行充電，之后關(guān)閉SP1和SP2，就可以把能量放入總電池組中。這樣就可以實現(xiàn)更多電池單體的串聯(lián)。

2.4 電壓檢測

為了對每個電池的荷電狀態(tài)進(jìn)行管理，每個電池的電壓都要加以測量。由于只有1號電池處于微控制器模數(shù)轉(zhuǎn)換范圍內(nèi)，因此不能直接測量電池塊中其他電池的電壓。一種可能的方案是采用差分放大器陣列，但這需要保持整個電池塊的電壓水平。

下面提出一種只需添加少量硬件就可以檢測所有電池電壓的方法。變壓器的主要作用是電荷平衡，但同時我們也可將它作為多路復(fù)用器使用。在電壓檢測模式下，變壓器的反激模式?jīng)]有被使用。當(dāng)S1至SN開關(guān)中的某一個閉合時，所接通的電池的電壓被傳輸至變壓器的所有繞組。經(jīng)過一個分立濾波器簡單的預(yù)處理，檢測信號被輸入至微控制器ADC輸入管腳。S1至SN中的任一開關(guān)閉合時所產(chǎn)生的檢測脈沖的持續(xù)時間非常短暫，實際的導(dǎo)通時間可能只有4μs，因此變壓器中存儲的能量并不多。當(dāng)該開關(guān)斷開后，磁場中存儲的能量將通過主晶體管饋回整個電池塊，因此電池塊的能量不受影響。對全部電池掃描一遍后，一個掃描周期結(jié)束，系統(tǒng)回到初始狀態(tài)。也就讀取了電池組中每一節(jié)電池的電壓信號。