? ? ? ? 隨著電子設備的發(fā)展，電池所使用電壓和電流的規(guī)格趨于多樣化，小到小功率電動工具，大到電動汽車的動力電池，電池應用會涉及到各種電池串聯(lián)和并聯(lián)形成電池組的使用方式，以便增加電池的電壓和容量。

? ? ? ? 我們舉一個典型的案例，如圖0所示，特斯拉ModelS的電動汽車電池共有16個電池模塊，每一個電池模塊具有四百四十四節(jié)電池，共七千一百零四節(jié)電池，每一個電池模塊是6串74并的模塊，想象一下，平衡所有的電池是一個非常有挑戰(zhàn)的事情。

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 圖0

? ? ? ? 實際應用中，當發(fā)生電池串聯(lián)時，難免會遇到電池不平衡的問題。

一般的情況下，當電池出廠時，電池的電壓及容量基本一致，如圖1所示，

? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 圖1

? ? ? ? 但是隨著時間的推移，電池的狀態(tài)會由于電池生產(chǎn)制造工藝的不同，以及自放電等因素，電池電壓及容量的狀態(tài)會發(fā)生較多明顯的變化，如下圖2所示，

? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ??

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 圖2

? ? ? ? 有人會問，什么是電池自放電呢？實際上它是電池內(nèi)部自己產(chǎn)生的一個電荷泄露過程，此時事實上，并沒有產(chǎn)生負載放電回路。由于不同電池個體內(nèi)部阻抗的不同，隨著時間的推移，及高溫等因素，會不斷加速這種變化產(chǎn)生。所以，在一些應用中，比如儲能系統(tǒng)使用淘汰下來的梯次電池會存在很多安全隱患。

? ? ? ? 隨著對這個存在不平衡問題的電池組的繼續(xù)放電使用，則電壓最低的電池的電壓會越來越低，以至于最終達到0，如圖3，4所示，隨著進一步的流過其它較強電池的電流，則它的電壓可能會變?yōu)樨撝担藭r就會很容易發(fā)生電池損壞和起火等事件。

? ? ? ? ? ? ? ?

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?圖3

? ? ? ? ?? ? ??

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 圖4

? ? ? ? 對于一些低成本電池組，并不會對每一節(jié)電池電壓進行實時監(jiān)控，所以，當產(chǎn)生最弱電池電壓變負后，就會發(fā)生不可逆轉的失效或者事故。而具有單節(jié)電池保護電路的電池可以將最弱電池變?yōu)殚_路，以此阻止繼續(xù)放電，從而避免安全事故，但這并非是一個高效的處理方式，接下來我們解釋一下這一點。

? ? ? ? 從下圖5可見，當最弱電池變?yōu)殚_路后，其它較強電池的剩余電量就不能繼續(xù)使用了，所以，這就造成了電池容量的巨大浪費，一般我們會在電池內(nèi)部添加單節(jié)電池保護線路，如圖6所示，除了監(jiān)控電池串聯(lián)總的電壓之外，會有一部分電路去監(jiān)控每一節(jié)電池電壓，實時上報給主CPU處理器，必要時去做欠壓或者過壓的保護動作，在充電過程中，主要面臨的問題就是最弱單節(jié)電池的過壓問題，而在放電過程中主要面臨的問題是最弱電池的欠壓問題。

? ? ? ? ?? ?

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 圖5

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?圖6

? ? ? ? 圖7給出了一個串聯(lián)電池組在充電過程中的電壓變化過程，可以看出第三節(jié)電池是一個最弱的電池，它由于一些原因導致其容量嚴重不足，所以在充電過程中，其電壓上升速度很快，以至于超過最大允許電壓，如果不施加過壓保護電路，則若干周期后必然導致電池損壞。另一方面，即使添加了單節(jié)電池過壓保護電路，則在最弱電池達到允許的最大電壓前關閉此節(jié)電池的充電回路，則其它電池還處于未充滿的狀態(tài)，這勢必不能很好的利用電池的容量，溫度因素同時會惡化這個過程，所以，一旦存在劣質電池存在于電池組中，你的電池組容量就像一個很小容量的電池，很快就會不能用。

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?圖7

? ? ? ? 電池平衡的既然會導致嚴重的電池容量浪費，我們一定要通過一些方法去避免這種不經(jīng)濟的運行方式，我們接下來會討論幾種電池平衡電路，通過它來解決這個問題。

?

電阻分流器的方式是最基本的處理電池平衡的方法，如下圖8所示，

? ? ? ? ? ? ??

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 圖8

? ? ? ? 如圖8所示的電路，在每節(jié)電池兩端連接一對電阻，且和一個可控的晶體管串聯(lián)，當系統(tǒng)監(jiān)控到最大電壓的電池時，將晶體管閉合，這樣流過這節(jié)電池的電流會被分流掉一部分，但是電池組總的充電電流不會變化，那么，其它電池的電壓會更快地被充電，其電壓慢慢地趕上最高電池電壓，當系統(tǒng)檢測到這個門限時，就會切斷晶體管，接下來進行正常充電。

? ? ? ? 這種方式的好處是成本較低，容易實現(xiàn)，其缺點是部分充電能量會被當做熱能在分流器電阻上耗散掉，所以一般的建議，將電阻和晶體管放置在相對遠離電池空間處，以免熱耗散會加劇電池不平衡的狀態(tài)。

? ? ? ? 另一種處理電池平衡的方法是飛跨電容方式，如圖9所示，主要思想是通過電容作為搬運電荷的工具，將電荷從最高電池電壓搬運到最低電池電壓上。

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 圖9

? ? ? ?舉例來說，如圖10所示，當最上面的電池電壓是最高時，比如3.87V,當飛跨電容接到上面時，電容電壓被充電到3.87V，

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?圖10

? ? ? ? 接著充好電的3.87V的飛跨電容接到最低電壓電池上，如圖11，這樣能量從飛跨電容會轉移到3.8V的電池上，電池電壓會變?yōu)?/span>3.81V,同時由于并聯(lián)關系，飛跨電容電壓也會變?yōu)?/span>3.81V.

??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 圖11

? ? ? ? 接著3.81V飛跨電容會重新接到最高電壓電池上，如圖12，此時能量繼續(xù)從最高電壓電池傳遞到飛跨電容，此時二者電壓同時變?yōu)?/span>3.86V.

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?圖12

? ? ? ? 緊接著飛跨電容又被連接到最低電池電壓3.81V上，達到平衡時，電池電壓和飛跨電容變?yōu)?/span>3.82V,此時它就不再是最弱的電池了，如圖13所示。

圖13

? ? ? ? 系統(tǒng)會不停的以諸如上述方式進行電荷的轉移，最終電池電壓最終會達到平衡。由于飛跨電容的電荷容量和電池的電荷容量相比相對比較小數(shù)百萬倍，所以能量在飛跨電容和電池之間的傳遞頻率會是數(shù)千赫茲的水平，由于大部分能量不會以熱能散掉，這種方式相對電阻分流器的方式更節(jié)省能耗。上述過程，我們僅僅從原理上去分析電荷傳遞的過程。

? ? ? ? 第三種處理電池平衡的方法，是采用雙向DC/DC變換器，將能量從一個電池中傳遞到另一個電池中。DC/DC電池變換器可以根據(jù)需要設計為隔離式DC/DC，如同步整流反激變換器或者同步整流正激的變換器，也可以設計成非隔離的DC/DC電路，如Buck，4SW buck-boost等。

? ? ? ? 電源的輸入端可以是電池串，也可以是單節(jié)電池，輸出端設計為可選擇輸出的多路輸出電源。這種方法，可以用于一些大功率電池應用中。接下來，我們會簡單介紹兩種大功率電池平衡的例子，一種是混動車中的48V和12V電池平衡，另一種是5G備用電池中的，鉛酸電池和鋰電池的電池平衡。

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 圖14

? ? ? ? 如下圖15，是在HEV或者PHEV車上廣泛存在的48V總線結構，由于車輛電氣化的逐步發(fā)展，越來越多大功率電氣化設備的增加，原有12V鉛酸電池的總線電流會達到幾百安培，增加48V鋰電池電池后，采用48V總線供電，則大大減小了總線電流，線損會減小為十六分之一。同時由于48V電池的儲能效應，在剎車時，可以將動能能量存儲在48V電池中，再次啟動時，會更容易啟動，在節(jié)能上也有一定的幫助。

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 圖15

? ? ? ? 通過一個同步整流Buck電路，將48V電池能量轉移到12V鉛酸負載，而從12V鉛酸電池的能量可以反向以Boost電路運行，將能量轉到48V電池，通過dsPIC33來作為主控制器，可以很容易對48V和12V之間的buck DC/DC做雙向運行，作如圖16所示。

圖16

? ? ? ? ?另一種電池平衡的案例，是5G基站備用電源中的雙向DC/DC電源，隨著5G基站設備的增加，電網(wǎng)受到比較大的壓力，因此需要一個48V儲能電池放置在系統(tǒng)中，同時50V基站負載還會一直連接鉛酸負載給客戶，兩個電池之間會通過一個雙向DC/DC來實現(xiàn)，

?

? ? ? ? 電池組合的另一種方式，就是電池并聯(lián)，電池并聯(lián)的情況會簡單一些。如圖17所示，正常情況下，并聯(lián)的四個電池，其充電或者放電電壓必然是相同的，而充電或者放電電流也基本相同。

? ? ? ? ??

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 圖17

? ? ? ? 在如下圖18所示的并聯(lián)電池充電過程中，容量偏小的電池，如最左側的一個，由于其阻抗較大，所以，其獲得的充電電流會偏小，其減小的充電電流部分會被其它阻抗較小的電池所分擔，所以容量較小的電池充電相對較慢，必然不會出現(xiàn)過壓問題。

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?圖18

? ? ? ? 在并聯(lián)電池的放電過程中，也是類似的過程,如圖19所示。容量較小的電池，由于其內(nèi)部阻抗較高，所以會有較小的放電電流，其減小部分的電流會被其它正常電池所分擔，所以較差的容量低的電池不會產(chǎn)生欠壓的情況。

????

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 圖19

? ? ? ? 如果在一個系統(tǒng)中，很多個電池的容量都變小了，那么這時候這個事情就變得相對不可控了，因為大多數(shù)充電或者放電電流都被轉移到較少數(shù)得電池上了，這個電流會超過其允許得正常電流，逐漸得這些電池也就會被損壞或者降級，如下圖20中得最右側的電池。

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?圖20

? ? ? ? ?總結，通過以上的分析，我們了解了引起電池不平衡的原因及現(xiàn)象，基于此分析了三種處理電池不平衡現(xiàn)象的電路方法，對于我們了解電池管理系統(tǒng)的一些設計思路有一定幫助。