在由蓄電池作為儲能單元的系統中，由于蓄電池單體往往容量比較低，不能夠滿足大容量系統的要求，因此需要將蓄電池單體串聯，形成蓄電池組以提高供電電壓和存儲容量，例如在電動汽車、微電網系統等領域大多需要蓄電池串聯。由于蓄電池單體自身制作工藝等原因，不同單體之間諸如電解液密度、電極等效電阻等都存在著差異，這些差異導致即便串聯蓄電池組每個單體的充放電電流相同，也會使每個單體的容量產生不同，進而影響整個蓄電池組的工作。最壞的情況，在一個蓄電池組中，有一個單體的剩余容量接近為100%,另一個單體的剩余容量為0,則這個蓄電池組既不能充電也不能放電，完全不能使用。因此對蓄電池容量的均衡是非常重要的，尤其是在大量蓄電池單體串聯的情況。

常用的均衡電路分為主動和被動均衡，我們通常把能量消耗型均衡叫做被動均衡，而把其他均衡稱為主動均衡，下面詳細介紹。

電阻消耗均衡法-被動均衡法

電阻消耗均衡法是通過與電池單體連接的電阻，將高于其他單體的能量釋放，以達到各單體的均衡，如圖1 所示。每個蓄電池單體通過一個三極管與一個電阻連接，通過控制三極管的導通與關斷實現蓄電池單體對電阻的放電。該種結構控制簡單，放電速度快，可多個單體同時放電。但缺點也很明顯，能量消耗大，只能對單體進行放電不能充電，而且其他蓄電池單體要以最低的單體為標準才能實現均衡，效率低。

電阻消耗均衡法結構圖

主動均衡的具體實施方案有很多種，從理念上可以再分成削高填低型和并聯均衡型兩大類。通常被質疑主動均衡影響電池壽命的，特指削高填低這類主動均衡。匯總幾種典型主動均衡電路在下面。

削高填低，就是把已經電壓高的電芯的能量轉移一部分出來，給電壓低的電芯，從而推遲最低單體電壓觸及放電。截止閾值和最高單體電壓觸及充電終止閾值的時間，獲得系統提升充入電量和放出電量的效果。

但是在這個過程中，高電壓單體和低電壓單體都額外的進行了充放。我們都知道，電池的壽命被稱為“循環壽命”，僅僅就這顆電芯來說，額外的充放負擔會帶來壽命的消耗是一個確定的事，但對電池包系統而言，總體上是延長了系統壽命還是降低了系統壽命，目前還沒有看到明確的實驗數據予以證明。

削高填低的均衡，包括電容式均衡，電感式均衡，變壓器式均衡，此三種均衡方式包括充電過程中的均衡以及靜置過程的均衡。

另外還有一種主動均衡，叫做并聯式均衡，它只在充電過程中發揮作用。也有人認為應該在車輛運行中，和放電過程的末尾加入均衡，但一般認為系統電流值的波動比較大，如果依然以單體電壓為依據進行均衡，則很可能出現誤判，影響均衡效果。當然，隨著技術的發展，能夠通過其他手段直接對SOC進行準確的推算，則根據SOC進行的均衡，將不會再受到這個問題的困擾。

電容式均衡

設 B1，B3 電池單體分別為組內電壓最高、最低單體。圖中所有開關管為常開，當均衡器發出均衡指令時，功率開關管 S1、Q2 閉合，此時單體電池 B1 給電容充電，控制功率開關管的占空比控制充電功率和時間，充電結束后，開關管 S3、Q4 閉合，電容給單體電池 B3 充電，此時電池組內不均衡度降低，均衡結束。

電感式均衡

充電過程中，開關管 S 閉合，充電機給電池組充電。此時電池組右側開關管全部斷開，均衡系統不開啟。設單體電池B1 電壓開始明顯高于其他電池并達到均衡閾值時，此時均衡系統開啟，S1、Q2開關管閉合，電感與單體電池 B1 并聯，起到分流的作用，電感儲存來自充電機與電池 B1 的能量；當 S1、Q2 開關管置 0，Q3、S4 開關管置 1 時，電感給充電過程的單體電池 B3 釋放一定能量。

靜置過程中，開關管 S 斷開，當單體電池 B1 電壓高于其他電池并達到均衡閾值時，均衡系統開啟，S1、Q2 開關管閉合，電感與單體電池 B1 并聯，電感吸收 B1 能量；當 S1、Q2 開關管斷開，Q3、S4 開關管閉合時，電感給單體電池 B3釋放電量。

變壓器式均衡

基于反激式均衡變壓器進行參數設計，即變壓器既作為吸收能量源又作為釋放能量源，吸收與釋放能量的轉換在于能量在磁能與電能之間的轉換。

同樣，設單體電池 B1 電壓最高，將 S1、Q2 置 1，其他開關管置 0，此時變壓器作為吸收能量源，能量由 B1 電池給的電能轉換為磁能；S1、Q2 置 0，Q1、S2 置 1，能量由初級繞組傳遞給次級繞組，能量釋放給單體電池 B3，能量由磁能重新轉換為電能。

并聯均衡

理想的均衡方式是所有電池能量及端電壓相同，并聯電池組內單體電池電壓始終相等，因為和連通器原理一樣，兩邊水柱永遠水平，并聯電池也先天性的單體電壓高的自發給單體電壓低的電池充電。但串聯電池組內想要應用此原理，就需要稍微改變原電池組拓撲結構。

并聯拓撲結構，每節單體電池都有一個單刀雙擲的開關繼電器，所以 n 節串聯電池組內需要 n+1 個繼電器。

控制原理如下：設電池組內 B4 電壓最高，B2 電壓最低，控制繼電器 S5、S3、Q4、Q2 閉合，此時兩節單體電池并聯，兩單體電池自動均衡，電壓趨于一致。該拓撲的缺點是充電過程中不能進行均衡，只能靜置去極化時候進行并聯均衡。

并聯均衡，總體上就是在充電過程中，分流充電電流，給電壓低的電芯多充電，而電壓高的少充電。于是，不必出現“劫富濟貧”的過程，避免了最高和最低電壓電芯的額外充放電負擔，也就不用懷疑均衡過程對個別電芯壽命的影響拖累系統壽命的問題。

模組之間的均衡

這種形式在實際應用中很少見，但芯片供應商提供的方案藍本中已經出現了相鄰模組可以相互均衡的功能。一種原理圖如下。

幾種均衡方式的比較

主動均衡的選擇

業內的經驗總結大致如下：

1）對于10AH以內的電池組，采用能量消耗型可能是比較好的選擇，控制簡單。

2）對于幾十AH的電池組來說，采用一拖多的反激變壓器，結合電池采樣部分來做電池均衡應該是可行的。

3）對于上百AH的電池組來說，可能采用獨立的充電模塊會好一些，因為上百AH的電池，均衡電流都在10多A左右，如果串聯節數再多一些，均衡功率都很大，引線到電池外，采用外部DC-DC或AC-DC均衡也許更安全。

作者：政飛科技 轉載請注明來源


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