电池均衡知多少 - 3
电池均衡电路
在电池均衡系统中可使用多种通用电子结构图5.7给出了最常见拓扑的分类，我们将在下面的内容中逐一介绍。最简单的体系结构不允许BMS软件进行任何控制，因此仅作为参考介绍，不建议用于大多数应用程序。其他可以全局打开或关闭，但不允许单个电芯级别的控制。它们自动运转来均衡所有电芯的电压。如上一节所述，这不是理想的情况，但如果在电池组充电周期结束时（对于顶层均衡设计策略）执行，则是可以接受的，此时电池组处于休息状态，因此电压是SOC的合理指标。其余的架构允许独立激活或停用单个电芯的均衡器，因此可以用于更一般的动态SOC均衡。
能量耗散型：固定分流电阻
最简单的电子设计是耗散均衡系统，它在每个电池并联一个电阻。该电阻器用于从电池中排出多余的电荷，并且从电池中除去的能量作为热量消散。最基本的设计是“固定分流电阻设计”，如图5.8所示。
在图的左边，我们可以看到一堆电池。在右边，一个固定的电阻器与每个电芯并联放置，其中所有的电阻器都被选为具有相等的值。具有较高SOC的电池通常具有较高的终端电压，因此从电池通过其连接的电阻通过的放电电流也将大于从其他电池通过其连接的电阻通过的放电电流。所以，具有较高SOC的电芯将比其他电芯放电更快，从而使所有电芯处于均衡状态。这个设计的绝妙之处在于它的简单。不需要电压监测，SOC估计或主动控制。它完全自主运行。然而，也要注意，即使在电池组完全均衡的情况下，电路也会持续耗散电荷。因此，应选择非常大的电阻值，以尽量减少这种能量损失。
总的来说，一个固定的分流电阻的设计并没有简化BMS的设计。如果使用锂离子电池，为了安全起见，我们仍然必须监控每个电池的电压，并且我们仍然必须估计每个电池的SOC以进行能量和功率计算。这种电路可能最适合于均衡铅酸或镍氢电池组，其中一些过充电是可以接受的，因此不需要单独的电池电压监测，以及电池组几乎总是处于完全充电状态的应用，例如不间断电源。如果电池组的电池没有连续地从外部电源“充满”，那么它们将在相对较短的时间内全部放电到0V，固定分流电阻设计的一种变化使用齐纳二极管，当电池电压降至某一点以下时自动关闭均衡。这种架构如图5.9所示。
齐纳二极管的尺寸必须允许通过整个电池组充电电流，并且它们的截止电压被选择为对应于“100% SOC”设定值（例如，铅酸电池约2.2V）。当电池的电压高于齐纳设定值时，电阻器路径被激活，特定电池的电荷被耗尽，直到其电压降至齐纳设定值以下。这种设计也适用于可容忍过充和电池可以“浮充”的化学反应。这包括铅酸和一些镍基化学物质，但不包括锂离子化学物质。当电池工作时，即使是铅酸和镍基电池，单独的电压仍然是SOC的不良指标，这一事实仍然受到限制。
能量耗散型：开关并联电阻
上述想法的一个变化，也适用于锂离子化学，是用一个由BMS控制的晶体管取代每个齐纳二极管，以启用或禁用单个电池的均衡。该设计如图5.10所示。
在实际设计中，需要指定每个晶体管的类型和额定值，并需要添加适当的门偏置电路。控制晶体管所需的电子器件使这种方法比任何一种固定分流电阻设计都要复杂；然而，它允许在均衡策略上有更大的灵活性。BMS简单地关闭被确定有太多电荷的电池的开关，允许它们相对于其他均衡开关打开的电池耗尽。现代电池监控芯片通常有内置电路来控制内部晶体管开关（用于慢速均衡）或外部晶体管开关（用于快速均衡）。在前一种情况下，设计师所需要添加的只是每个电芯的外部电阻；后一种情况还需要一个外部晶体管电路。
与非耗散均衡设计相比，这些耗散均衡方法的主要优点是电路的简单性（因此成本更低）。缺点是：
原本可以用于生产的能量被浪费为热量。
在顶层均衡设计中，当最弱的电池完全放电时，能量仍保留在一些电池中，如果使用非耗散均衡系统，则可以利用负载。
产生热量。热耗散功率为P ≈ Unom × ibalance。对于快速耗散均衡，比较慢的均衡产生更多的热量。这通常对均衡电阻提出了高瓦数的要求。通过均衡产生的热量可以与正常的电池工作产生的热量相似。因此，耗散均衡可能会增加电池组热管理系统的冷却要求，这是一笔可观的费用。
电池组寿命可能比采用非耗散均衡设计的电池组短。在耗散均衡中，电池组寿命由电池组中最弱的电池决定。使用非耗散均衡，电池组寿命由平均电池决定。此外，非耗散均衡可以使用强电池来支持弱电池，使电池组达到统一的寿命结束配置。耗散均衡没有这个能力。
