关于电池均衡的分析

本文从均衡背后产生的根因，到原理，到具体实现的问题，娓娓道来，

为什么要做均衡

由于电池使用工艺和材料的本身有差异，及电池实际使用过程中所处的温度、湿度等环境的不同，电池包内部的单体电池存在SOC差异，这个SOC的差异从直观上的体现就是电池的电压不同。
另外一个重要原因是由于电池自身由于极板活性物质脱落，上下极板之间的电位差，导致电池不可避免的存在一定的自放电。而且因为工艺的不同，自放电率也不一样。
因此可以得出一个结论——电池是有差异的。基于这个前提我们来讨论电池的均衡。
组合在一起的电池就是一个团队，我们得帮“猪队友”；
假设电池包中某个电池的SOC高于其他单体，在充电过程中这节电池会率先充满，导致其他单体还没达到额定容量的时候就停止充电了；同理假设某节电池的SOC低于其他单体，则在放电过程中会首先达到放电的截止电压，从而导致其他单体还有剩余容量无法进行释放；
所以有效的电池均衡不仅能够提高电池包的有效容量，也能在某种程度上提高电池包的寿命，因此我们必须做均衡。

均衡的原理

均衡电路分为被动均衡和主动均衡。

如果下图，被动均衡，就是把剩余容量多的电池的电量放掉一些，因为放电通过电阻，一般会造成一定的热损耗

主动均衡，就是将电量较多的电池电量充给电量较少的电池里面去，主动均衡系统上看会更省电

可以看到，主动均衡因为没有额外的热损耗，均衡电流可以做大，而被动均衡则是将所有多出的电量通过电阻放掉，会生热，因此被动均衡电流相对较小，均衡的速率低。

目前所新能源乘用车的均衡方式基本都是被动均衡，这是为什么？一个是电池的一致性越来越好，一个就是被动均衡的方案简单，价格便宜；

均衡电路的实现

早期的设计中，均衡电路就是通过控制MOSFET的开关来实现。

如上图，R1~R6是电池的内阻，因为内阻的存在，当均衡开启的时候，均衡电流会在内阻上形成一定的压降，因此如果在进行均衡的时候去测量电池的电压，测量值会较真实值偏低。因此在进行电压测量的时候，需要在测量的那一时刻关断均衡功能。

因为MOSFET的导通阻抗比较低，在进行均衡的时候MOSFET自身的发热很小，主要的发热都是电阻产生的，因此，芯片厂商将MOSFET集成到芯片内部，降低整体电路成本，如下图

但下图这种方式有一个缺点，每条线上的均衡电阻都是上下两个电池共用的，因此在均衡的时候，无法同时对相邻的两个电池进行均衡，最大能够同时均衡的数量是总数的一半，因此一般称之为奇偶对开的均衡方式。这种均衡方式的优点就是：便宜！因为集成在芯片内部的MOSFET，成本比外置的MOSFET要低。而对比外置MOSFET的方式，一个优点就是能够同时开启所有电池的均衡通道，如果有多个电池需要放电的时候，能够以最快的速度同时进行放电。

被动均衡实践中遇到的问题

在进行被动均衡的时候，我们的电池采样线是与均衡线共用一条导线通道的，因此会存在一些耦合的情况，我们经常遇到的情况有以下几种：
1、均衡的时候电压采样误差变大
实际调试BMS均衡电路发现，发现一旦开启均衡，电压的采样误差就会变大，后面发现，电池有内阻，当均衡开启的时候，均衡电流流经电池的内阻，会形成一定的压降，导致电池的采样误差变大。因此在设计软件的时候，需要将均衡和采样分时；而如ADI的BMS AFE芯片，芯片支持采样时候通过标志位来关断均衡；
2、均衡电阻发热过大
我们来计算一下这两种方式下均衡电阻产生的热量
以12节BMS为例，假设以单体电池电压4V时均衡电流要求达到100mA这个目标为基准进行评估。假设MOS导通阻抗为0，电池为理想电池。
对于第一种外置MOS的方式，12个通道同时开启均衡的时候，每个通道100mA的电流，均衡电阻就是40Ω。如下图所示的图例就是这种外置MOS的模型，均衡电阻的发热功率为0.1A*0.1A*40Ω=0.4W。12个通道就是4.8W。

对于第二种内置MOS的方式，计算方法需要修改一下，因为12个通道的耦合关系，只能实现奇偶对开，无法将所有通道同时打开，相当于均衡的时间小了一半，又要均衡的效果不变。那么为了达到100mA的均衡电流的目标，在奇通道或者偶通道开启的时候，均衡电流需要增大一倍，那么如下图的模型所示。

奇通道开启的时候，流经电阻的电流为200mA，6个通道一共12个电阻在发热，单个电阻的瞬时功率为0.2A*0.2A*10Ω=0.4W，12个电阻就是4.8W。
可以看到，两种方式的功率一样；
我们来设计我们的电阻散热结构，不管是通过PCB自己散热，还是通过导热胶将电阻的发热导到结构件上辅助散热，都需要做好充足的裕量，保障芯片不过热。