鋰電池組通常由多個(gè)電池單元串聯(lián)組成。由于制造工藝差異和使用過程中的不同因素，各個(gè)電池單元的容量、內(nèi)阻和充放電特性都會(huì)有所不同，這會(huì)導(dǎo)致在長期使用中，電池組中的單個(gè)電池電壓發(fā)生偏差。如果不對這些電壓偏差進(jìn)行糾正，可能會(huì)導(dǎo)致某些電池過充或過放，從而損壞整個(gè)電池組。

電池均衡技術(shù)通過調(diào)整電池電壓，使得每個(gè)電池單元的電壓保持在一致的水平上。均衡可以分為被動(dòng)均衡和主動(dòng)均衡兩種方式。

被動(dòng)均衡(Passive Balancing)是一種相對簡單且成本較低的電池均衡方式。它的原理是在電池組中的某些電池電壓過高時(shí)，通過連接一個(gè)電阻，將多余的能量以熱量的形式耗散掉，使這些電池的電壓降低，從而達(dá)到均衡的目的。

電阻放電： 在被動(dòng)均衡電路中，通常在每個(gè)電池單元上并聯(lián)一個(gè)電阻。通過控制電路(如MOSFET開關(guān))，當(dāng)檢測到某個(gè)電池的電壓高于設(shè)定值時(shí)，開關(guān)導(dǎo)通，電阻開始放電，將該電池的多余電能以熱能的形式釋放出來，使電壓降低。

電壓檢測： 控制電路會(huì)持續(xù)監(jiān)測每個(gè)電池單元的電壓，一旦某個(gè)電池的電壓回到正常范圍(通常是均衡電壓)，控制電路會(huì)關(guān)閉該電阻的放電回路，停止耗能。

內(nèi)部均衡與外部均衡： 內(nèi)部均衡是指在電池管理芯片(如TI的BQ76940或BQ76952)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)的均衡功能，通常通過內(nèi)置的MOSFET和電阻進(jìn)行;外部均衡則需要外部的MOSFET和電阻來完成，通常能夠支持更大的均衡電流。

電池組通常被構(gòu)建為串聯(lián)或并聯(lián)的電池陣列。串聯(lián)的電池單元數(shù)量越多，電池組電壓越高，而并聯(lián)的電池單元越多，電池總?cè)萘吭礁?以安培小時(shí)額定值或Ahrs表示)。然后，電池容量將決定并聯(lián)電池的數(shù)量，其容量等于并聯(lián)電池的數(shù)目乘以系統(tǒng)運(yùn)行所需的電池容量。根據(jù)電池類型的不同，汽車往往使用96個(gè)串聯(lián)的鋰離子電池和24個(gè)并聯(lián)的電池。例如，續(xù)航里程為100英里的電動(dòng)汽車需要20-30kWh的電池，這取決于車輛的重量、預(yù)期使用情況和車內(nèi)各種系統(tǒng)的效率。系統(tǒng)的幾個(gè)方面將決定電池組電壓，包括電動(dòng)機(jī)的總體尺寸和類型、電纜尺寸和隔離要求。多電池組通過向電池組頂部電池的正極端子提供電流來充電。(假設(shè)電池包括n個(gè)串聯(lián)的電池單元。)換句話說，電池的電池單元不單獨(dú)充電。如果你讀過Stefano的文章，你就已經(jīng)知道，在充電結(jié)束時(shí)，每個(gè)電池中剩余的電荷量是不同的;當(dāng)你反復(fù)給電池充電和放電時(shí)(在沒有平衡的情況下)，這種差異會(huì)增加。

我們從充滿電的電池開始。電池中包含的所有能量(可用能量)都可以為汽車提供動(dòng)力。為了避免電池過度放電(因?yàn)檫^度放電會(huì)縮短電池壽命并影響安全性)，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)電池達(dá)到欠壓閾值(加上通常取決于保護(hù)器的安全裕度)時(shí)，必須停止放電。為了避免對鋰離子電池過度充電，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)電池達(dá)到過電壓閾值時(shí)，必須停止充電。然而，滯后的電池尚未完全充電，電池中留下一些能量無法用于駕駛，因?yàn)楫?dāng)?shù)谝粋€(gè)電池充滿電時(shí)，充電必須停止。

換句話說，在第一次充電/放電循環(huán)之后，一些能量滯留在電池組中。它永遠(yuǎn)不能用來給汽車提供動(dòng)力。隨著電池一次又一次地充電和放電，滯留能量增加，從而減少了可用能量。此外，可用能量的損失是絞合能量的兩倍，因?yàn)榻g合能量是不可用的，并且等量的電荷不能注入另一個(gè)電池。在足夠的充電和放電循環(huán)之后，可用能量開始接近零。你如何避免這個(gè)問題?平衡!你可以通過將絞合的能量耗散到電阻器上，重新獲得電池充電并達(dá)到滿電的能力來實(shí)現(xiàn)電池平衡。

只要所有電池都具有相同的容量，在每個(gè)充電周期結(jié)束時(shí)就不需要完全平衡，因?yàn)殡姾刹黄胶獾挠绊懯峭耆赡娴?。我在電池電子產(chǎn)品開發(fā)過程中看到過一個(gè)案例，其中電池的被動(dòng)平衡部分直到經(jīng)過多次充電/放電循環(huán)后才實(shí)現(xiàn)。當(dāng)平衡系統(tǒng)準(zhǔn)備就緒時(shí)，可用能量減少了25%以上。然而，在平衡所有電池后，電池組可以充滿電，而可用能量的損失最小。

您應(yīng)該根據(jù)應(yīng)用和熱因素選擇平衡電流的大小。例如，在24kWh系統(tǒng)(96個(gè)串聯(lián)電池)中，假設(shè)電池在其壽命結(jié)束時(shí)具有小于1%的充電時(shí)間差(充電時(shí)間的差異隨著時(shí)間的推移而增加)，66Ah系統(tǒng)將需要補(bǔ)償660mAh。使用200mA的平衡電流，您可以在3.3小時(shí)內(nèi)平衡該系統(tǒng)，但使用100mA的電流進(jìn)行平衡需要兩倍的時(shí)間。

電池均衡至關(guān)重要，因?yàn)樗艽_保電池組中的每個(gè)單元都得到有效監(jiān)控并維持在良好的荷電狀態(tài)(State of Charge, SoC)。這種監(jiān)控不僅有助于增加電池的循環(huán)工作次數(shù)，還能為電池提供額外的保護(hù)，防止因過度充電或深度放電而導(dǎo)致的損壞。被動(dòng)均衡通過利用泄放電阻來消耗多余的電荷，從而確保所有電池單元的SoC大致相當(dāng)。然而，這種方法的缺點(diǎn)是它并不會(huì)延長系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間。通常，采用電阻耗散能量的均衡方式都被歸類為被動(dòng)均衡。

相比之下，主動(dòng)均衡是一種更為復(fù)雜的平衡技術(shù)。在充電和放電過程中，它能夠重新分配電池單元內(nèi)的電荷，從而增加電池組中總的可用電荷量，進(jìn)而延長系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間。此外，主動(dòng)均衡還能縮短充電時(shí)間并減少均衡時(shí)產(chǎn)生的熱量。通常，通過能力轉(zhuǎn)移實(shí)現(xiàn)電荷平衡的方式都被稱為主動(dòng)均衡。在典型的滿容量狀態(tài)下，電池組處于充電量為90%的狀態(tài)。長時(shí)間將電池保持在接近100%的容量會(huì)嚴(yán)重影響其使用壽命。因此，為了保持電池的健康狀態(tài)，通常會(huì)采用放電到30%的策略來防止電池進(jìn)入深度放電狀態(tài)。

被動(dòng)均衡主要依賴于電阻放電方式，將電壓較高的電池中的電量以熱能的形式釋放，從而為其他電池創(chuàng)造更多的充電時(shí)間。整個(gè)系統(tǒng)的電量受限于容量最小的電池。在充電過程中，鋰電池通常設(shè)有一個(gè)上限保護(hù)電壓值，一旦某一串電池達(dá)到此值，鋰電池保護(hù)板便會(huì)切斷充電回路，停止充電。被動(dòng)均衡的優(yōu)點(diǎn)在于成本低廉且電路設(shè)計(jì)相對簡單，但其缺點(diǎn)在于僅基于最低電池殘余量進(jìn)行均衡，無法提升殘量較少的電池容量，且均衡過程中釋放的熱量完全浪費(fèi)。

進(jìn)行電池均衡的主要原因是為了解決電池組內(nèi)部單體電池之間的不一致性問題，確保電池組的高效、安全運(yùn)行。?

?電壓差異與短板效應(yīng)?：在充放電過程中，單體電池之間的電壓差異會(huì)逐漸增大，導(dǎo)致容量較小的電池(即短板)最先達(dá)到其充放電的截止電壓，從而限制了整個(gè)電池組的充放電能力。這種現(xiàn)象不僅影響電池組的使用效率，還可能導(dǎo)致過充、過放等問題，加速電池老化，縮短電池組的壽命?1。?容量不一致與熱失控風(fēng)險(xiǎn)?：電池組內(nèi)單體電池容量不一致會(huì)導(dǎo)致在充放電過程中，容量較大的電池承擔(dān)更多任務(wù)，而容量較小的電池可能因過度充放電而受損。長期下來，這種不均衡會(huì)導(dǎo)致電池組內(nèi)電池性能分化，甚至引發(fā)熱失控等安全風(fēng)險(xiǎn)?1。

?提高電池組的一致性?：通過均衡技術(shù)，可以減小單體電池之間的電壓、容量差異，提高電池組的一致性，從而提升電池組的整體性能，避免因個(gè)別電池性能下降而導(dǎo)致的整個(gè)電池組性能衰退?12。?延長電池組的壽命?：均衡控制可以避免電池組的過充、過放現(xiàn)象，減少電池?fù)p傷，延長電池組的整體壽命。這對于降低電池更換成本、提高設(shè)備使用效率具有重要意義?12。?提升安全性?：均衡技術(shù)可以降低電池組內(nèi)單體電池之間的電壓差異，減少熱失控等安全隱患的風(fēng)險(xiǎn)?12。

主動(dòng)電池均衡和被動(dòng)電池均衡都通過監(jiān)控和匹配每個(gè)電池單元的荷電狀態(tài)來促進(jìn)電池系統(tǒng)的健康。然而，這兩種方法在實(shí)施方式上有所不同。被動(dòng)電池均衡僅在充電期間消耗多余電荷，而主動(dòng)電池均衡則能在充電和放電期間都對電荷進(jìn)行重新分配。這使得主動(dòng)電池均衡不僅延長了系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間，還提高了充電效率。但值得注意的是，主動(dòng)電池均衡所需的解決方案往往更為復(fù)雜，尺寸也相對較大，而被動(dòng)電池均衡則更注重成本效益。