摘要
簡潔與高效未必不可兼得，優秀且成功的設計往往能兩者兼顧。本文介紹了電池管理系統(BMS)的幾種傳統主動均衡解決方案，並討論如何綜合利用主流方法的優勢，形成一種更具實用性、更能實現簡潔與高效設計的解決方案。最後，文中說明為什麼電池包之間的均衡與電芯之間的均衡同樣重要。
引言
主動均衡設計的簡潔與高效，絕非華而不實的宣傳噱頭。本文將審視並介紹目前市面上廣泛採用的幾種主動均衡解決方案。我們將分析每種方法的優缺點，目的是整合它們的優勢，形成一種更具實用性、更能實現簡潔與高效設計的解決方案。最後，我們將強調，儘管大多數現有主動均衡設計主要關注電芯之間的均衡，但電池包之間的均衡同樣重要，不容忽視。
市面上現有的幾種主動均衡解決方案
本系列文章的第一篇討論了主動均衡在電池管理系統(BMS)中的重要性。事實上，市面上早已存在多種主動均衡解決方案。這裡將重點介紹圖1展示的三種常見主動均衡解決方案。限於篇幅，這裡無法探討所有可用解決方案，但本文介紹的三種方案極具代表性。這三種主動均衡解決方案分別基於反馳式、多電感和開關電容，利用了電路中廣泛使用的三種儲能元件：變壓器、電感和電容。表1總結了這三種主動均衡解決方案的工作原理及優缺點。
圖1.三種最具代表性的主動均衡解決方案架構：反馳式（左）、多電感（中）和開關電容（右）
表1.三種主動均衡解決方案的工作原理和優缺點比較
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反馳式 |
多電感 |
開關電容 |
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工作原理 |
反馳式電源架構方法支援在由多個電芯組成的模組與單個電芯之間進行單向或雙向能量傳輸。這種方法主要基於隔離式DC-DC拓撲進行能量傳輸。 |
對於每n個電芯，需要n-1個電感和2 × (n-1)個開關來傳輸電能。開關採用脈寬調變(PWM)方式以相對高的頻率運作，電流流動和PWM工作週期根據公式V/L = di/dt進行控制。透過開關的通斷和電感的充放電，電能可以在相鄰電芯之間傳輸。這種方法主要基於非隔離式DC-DC拓撲進行能量傳輸。 energy transfer.
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對於每n個電芯，需要n-1個電容和4 × (n-1)個開關來傳輸電能。透過開關的通斷和電容的充放電，電能可以在相鄰電芯之間傳輸。 |
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優點 |
均衡時間短，均衡效率高；甚至非相鄰電芯也可以快速實現電荷轉移。 |
如果僅需要在相鄰電芯之間進行電荷轉移，則這種方法相對高效；控制機制的複雜度適中。 |
如果僅需要在相鄰電芯之間進行電荷轉移，則這種方法相對高效，且控制機制簡單。 |
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缺點 |
很可能需要客製化變壓器；控制機制相對複雜。 |
難以在非相鄰電芯之間實現電荷轉移；非相鄰電芯之間的電荷轉移路徑較長，多次轉移必然導致能量損耗增加。 |
難以在非相鄰電芯之間實現電荷轉移；非相鄰電芯之間的電荷轉移路徑較長，多次轉移必然導致能量損耗增加。此外，利用電容來擴展功率水準時，會面臨I2R損耗過大的難題。 |
簡化主動均衡：更巧妙的設計方法
如上一篇文章所述，傳統的主動均衡解決方案要不是複雜昂貴，就是簡單經濟但效率低下。本文探討的關鍵問題是如何在確保主動均衡設計足夠簡潔的同時，維持出色的效率。
重新評估主動均衡的設計要求
得益於日益先進的電池製造技術和嚴格的品質控制流程，單體電芯的性能，尤其是規格相同且來自同一製造商的電芯的性能，通常高度一致。然而，單體電芯通常不會直接出售給電動汽車(EV)或儲能系統(ESS)市場中的終端使用者。相反的，專業電池包製造商會將多個規格相同的新電芯組裝成中高壓電池包，然後將其出售給諸如電動車和儲能系統製造商等終端使用者。
由此不難明白，對於新組裝的電池包，內部的電芯應具有相似且一致的性能。但需要注意的是，在新電池包首次使用之前，電池包中各個電芯的電壓和荷電狀態(SOC)未必一致。這是因為，新製造的電池不一定會在生產出來後就立即組裝成電池包。此外，在電池包完成組裝後，產品運送到終端使用者並投入實際使用之前，也會需要一些時間。
在長時間的儲存或運輸期間，無論是對於單體電芯還是組裝好的電池包，電芯之間的電壓和SOC不均衡很容易發生。這個問題並不少見。新的（或相對較新的）電池包經過長時間儲存或運輸後，如果出現不均衡跡象，並不一定表示電芯性能不匹配。事實上，這些電芯仍可能具有非常相似的特性。務必注意，性能相似並必然意味著電壓或SOC水準相似，尤其是在經過長時間儲存或運輸之後。
因此，對於已儲存或運輸較長時間的電池包或電芯，在投入使用之前，一般建議進行主動或被動均衡處理。
除了儲存和運輸場景之外，還有一個需要注意的情況：隨著電池包執行時間的延長及充放電迴圈次數的增加，單體電芯之間的性能差異可能較電池包組裝初期有所擴大。
隨著儲能系統容量的持續增加，單體電芯的容量現在已達到320 Ah、600 Ah，甚至1000 Ah。其中，320 Ah代表以前的主流容量，600 Ah正成為當前標準容量，而1000 Ah被視為未來方向，有些製造商已經實現1000 Ah高容量電芯的量產能力。
對於不具備主動均衡能力或僅使用被動均衡的大容量電池包，電芯之間的初始微小不均衡隨著時間的推移，可能會逐漸演變為顯著的不匹配，原因是均衡能力有限，而且長期充放電迴圈會帶來累積效應。最終，這種電芯不匹配可能導致電池包在實際運作過程中出現顯著的容量損失和安全風險（例如過充和過放）。
主動均衡的兩個關鍵作用
電池包內電芯不匹配問題幾乎無法避免，主動均衡因此成為改善性能的必要手段，可實現如下兩大功能：
1. 預防功能：在沒有顯著不匹配的電池包中，電芯狀況良好，性能差異極小。在這種情況下，主動均衡的工作量相對較輕。如果將主動均衡比作監測電芯健康狀況的醫生，那麼它只需定期對電芯進行檢查即可。這種簡單的監測有助於防止或延遲性能差異的放大，使電芯不匹配的可能性最小化，並有效延長電池包的使用壽命。
2. 糾正功能：在已經存在較弱或不健康電芯的電池包中，主動均衡可利用靈活性、大均衡電流和快速均衡特性，在較弱、不健康和表現良好的電芯之間重新分配電荷。由此可以有效延長受電芯不匹配影響的電池包的使用壽命，確保電池包安全穩定地運行，同時降低過充和過放的風險。更重要的是，電芯不匹配對電池包容量損失的影響被盡可能降低。在此階段，主動均衡如同外科醫生，努力緩解電芯不匹配問題並延長電池包的使用壽命。
為何要簡化設計？具體如何實現？
既然上述三種主流的主動均衡解決方案已經在市面上得到廣泛應用，為什麼還要繼續進一步簡化主動均衡設計？原因在於，雖然這三種解決方案（及其他未介紹的方法）都已成熟且有效，但它們仍然存在相當大的改善潛力。
本文的主要目標是分析過去的解決方案，綜合利用各種主流方法的優勢，形成一種更具實用性、更能實現簡潔與高效設計的解決方案。
例如，反馳式隔離主動均衡架構的特點是效率高，特別是需要在非相鄰電芯之間進行均衡時，這種架構的性能明顯優於其他方法。另一方面，基於多電感和開關電容的主動均衡方法在均衡相鄰電芯時表現卓越，控制邏輯更簡單，運行穩定且性能強大。
總之，如果期望簡化後的解決方案能夠實現高均衡效率，則應優先考慮基於反馳式的均衡電路架構。然而，基於反馳式的均衡電路通常需要變壓器，而使用大量變壓器會導致成本增加、系統體積增大，控制邏輯變得更加複雜。因此，當追求簡化設計時，務必在保持高效率的同時，儘量減少變壓器的數量。對此，容易想到的一個思路，是讓電池包內的所有電芯共用同一反馳式電路和變壓器。
但是，僅僅簡化硬體和減少變壓器數量還不夠。控制邏輯和運作策略的簡化也同樣重要。主動均衡是一種系統級解決方案，設計人員不僅需要考慮使用哪些IC和元件來實現能量傳輸（屬於硬體設計），還必須密切關注均衡策略，即主動均衡演算法的設計（屬於系統軟體設計）。
一般而言，電池均衡演算法的設計取決於所支援的硬體架構。因此，在簡化均衡硬體設計的同時降低演算法設計的複雜度，仍然是一個必須解決的關鍵挑戰。
一種經過簡化的主動均衡設計
基於上述一討論的概念，本文提出一種簡單而高效的主動均衡解決方案，如圖2所示。這種設計具有一個16個電芯的電池包，利用兩個獨立的反馳式電路和兩個變壓器：一個用於電芯之間的均衡，另一個用於電池包之間的均衡。
在電芯間均衡部分，所有16個電芯共用一個基於反馳式的主動均衡電源電路。透過開關矩陣選擇性地將均衡電路連接到不同電芯，實現對相同硬體資源的分時利用。這種設計既簡單又精巧，避免了不必要的複雜性，同時保持了高效率和穩健的性能。因此，這種方法在主動均衡系統設計中表現出顯著的優勢。
此外，這種解決方案支援單體電芯之間和多個電池包之間的雙向均衡，顯著增強了跨電池包均衡的有效性。常規解決方案往往依賴外部獨立電源（如單獨的12 V或24 V電池）來支援電芯間甚至電池包間的均衡，但這種設計則不同，其完全利用電池包內部的能量實現均衡。如此不僅提升系統整體效率，並減少硬體和軟體設計的複雜度。
關於簡化的均衡演算法設計，將在本系列文章的第三篇詳細討論。然而，此種演算法有如下兩個關鍵原則：
1. 在電池包內實現真正的雙向電芯間均衡會導致設計過於複雜，因此此種演算法依賴中間充電緩衝區來實現間接均衡。具體而言，電池包內的n個相鄰電芯被指定為緩衝區。然後透過兩步驟流程實現均衡：電芯到緩衝區放電，隨後是緩衝區到電芯充電，進而有效模擬單體電芯之間的雙向電荷轉移。
2. 在電芯到緩衝區放電期間，源電芯的能量均勻分配到n個緩衝電芯中。而在緩衝區到電芯充電期間，目標電芯所需的能量均勻地從n個緩衝電芯中獲得。
這種方法在簡化硬體架構的同時，依然具備高性能均衡能力，在成本、效率與實際應用價值之間實現了理想平衡，因而成為先進BMS部署的高度實用且可擴展的解決方案。
圖2.經過簡化的主動均衡解決方案的示意圖，採用LT8306、LT8309、ADP1612、MAX7312、MAX32670和ADBMS6830B
為什麼電池包之間的均衡同樣重要
在繼續討論建議的解決方案之前，讓我們首先探討為什麼電池包之間的均衡也非常重要。
在由BMS和電池包組成的系統中，當BMS工作時，多個電路模組會消耗電力，包括電芯監控、隔離通信、溫度感測器、主動均衡和被動均衡等。然而，讓不同BMS電路實現相同的功耗水準非常有挑戰性。即使兩個BMS電路的功耗幾乎相同，但如果它們監控的電池包具有不同數量的電芯（並不罕見），情況也會變得更加複雜。
在這種情況下，電芯較少的電池包需要為其電芯監控器提供更大的IMONITOR電流。隨著時間推移，供電電流的差異會累積，兩個電池包之間的不均衡會變得更加嚴重。如果沒有適當的均衡調整，這種差異會導致電池包的容量明顯不匹配。因此，電池包之間的均衡同樣重要。參見圖3。
圖3.電池包之間不匹配情況的示意圖
結論
本文介紹了市面上常見的幾種主動均衡架構。透過綜合利用每種架構的優勢，我們提出了一種更具實用性、更能實現簡潔與高效設計的解決方案。
然而，必須要承認的是，儘管這種均衡解決方案注重簡潔與高效，但在實際應用場景下，任何單一設計都無法輕鬆解決所有電芯不匹配問題。隨著單體電芯容量從320 Ah提升到600 Ah，甚至1000 Ah，電芯不匹配問題會更加明顯。在這種情況下，任何均衡策略在部署到電池包之前，都必須進行仔細評估和驗證。
ADI提供的解決方案涵蓋了幾乎所有主流的主動均衡架構，其中並包括本文討論的三種架構。當然每種架構都有其優點、侷限性和理想應用場景，系統設計人員則可以根據具體需求，彈性地選擇合適的解決方案。
本系列文章的第三篇，便將深入實踐層面，引導讀者設計和實現一個簡單而高效的主動均衡原型。
