隨著便攜式設(shè)備的廣泛使用，各種類型的緊湊和輕型電池，如鉛酸電池、鎳氫電池和LiB（鋰離子電池）被開發(fā)出來。其中，鋰離子電池比其他電池具有相對較高的額定電壓(3.4～4.2V)和出色的能量密度。然而，鋰離子電池也有一些缺陷；由于過充、過溫和外界影響可導(dǎo)致爆炸；過放電等原因可導(dǎo)致特性下降；電池容量不平衡或電池不平衡問題會導(dǎo)致電池工作時(shí)間縮短。為避免前面兩個(gè)缺陷，有必要與鋰離子電池一起使用保護(hù)電路。此外，還需要CB（電芯平衡）電路以解決電池不平衡問題。

在本文中，將簡要介紹造成電池不平衡問題的因素，以及制定哪種解決方案來解決這些問題。同時(shí)，將為操作BMC（電池管理系統(tǒng)）的工程師介紹每種解決方案的利弊。

電芯不平衡問題和解決方法

電芯不平衡是指每個(gè)電池的容量變得不同。這通常是由電池的物理和電氣特性公差造成的。詳細(xì)來講，多個(gè)串聯(lián)電池組中的電芯不平衡通常是由容量衰退率和內(nèi)阻或自放電電阻（相當(dāng)于量產(chǎn)時(shí)并聯(lián)到電池）的微小失配，以及外部電路配置造成的。即使改進(jìn)了有關(guān)電池制造的技術(shù)，容量衰退率和內(nèi)阻得到了良好控制，微小失配影響也會逐漸地增大，并隨著時(shí)間的推移而影響電池性能，如圖1中所示。

圖2顯示了完全充電和完全放電狀態(tài)下的電池組及其電池的示例（三個(gè)電池串聯(lián)）。在電池和充電器及負(fù)載外部之間的線路上放置了保護(hù)開關(guān)，由保護(hù)IC控制。假定其中一個(gè)電池的容量在結(jié)構(gòu)中不均衡，并且充電器與電池組連接，如?中所示。由于充電過程完成，容量最低的電池?zé)o法得到完全充電，直到總電池電壓等于充電器的輸出電壓或保護(hù)IC可能關(guān)閉保護(hù)開關(guān)以防一個(gè)或多個(gè)電池進(jìn)入過充狀態(tài)。屆時(shí)在放電狀態(tài)下，電池組的運(yùn)行時(shí)間受到容量最低的電池的限制。換言之，電池在電芯不平衡狀態(tài)下無法得到充分利用，如圖2中所示。為避免出現(xiàn)電池不平衡的情況，需要一個(gè)電路，稱為“CB 電路”。
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CB電路的基本概念是大致均衡每個(gè)電池的能量。為避免電池間的不平衡，研究了多種具有低成本和更少平衡時(shí)間的電芯平衡電路。在圖3中所示的類別中，根據(jù)功耗觀點(diǎn)，將電芯平衡劃分為兩種類型，即無源和有源電芯平衡。無源電芯平衡方法是通過消耗電池能量，使所有電池電壓相等。相反，有源電芯平衡方法是采用電容或電感組件在低功耗電池間重新分配能量。
在結(jié)構(gòu)和操作上就可以看出，這種方式可帶來一些好處：低成本、易于實(shí)施和良好的可靠性。但是，應(yīng)考慮電阻、熱管理消耗的功率。因此，泄放電流通常限制為50 mA以下。請注意，只要泄放電流低，總CB時(shí)間就可增加。由于這些特點(diǎn)，這些方法主要用于低功率鋰離子電池應(yīng)用，如便攜式工具、電動(dòng)自行車等。

有源電芯平衡

1 電容穿梭電芯平衡

圖5顯示具有單個(gè)和多個(gè)電容的電容穿梭C B電路（以下稱為電容C B）。電容C B方法基本上由一個(gè)或多個(gè)電容以及多個(gè)用于在電池間交換能量的開關(guān)組成?；静僮鞲拍钍蔷哂凶罡呋蜉^高電壓的電池的能量傳輸至穿梭電容，然后穿梭電容的能量再次傳輸至具有最低或較低電壓的電池，導(dǎo)致重新分配補(bǔ)充能量。 假定T1比時(shí)間常量更大，期間的平衡平衡電流可計(jì)算如下：

假定Q1和Q2在T1和T2期間互補(bǔ)打開，則其總時(shí)間就相應(yīng)地為時(shí)間常量“E S R-C S H U T T L E”的約10倍。E S R實(shí)際存在，則期間的平均平衡電流可簡化為如下：


此方法的優(yōu)點(diǎn)是高效率且在一些有源C B方法中相對價(jià)廉。相反，缺點(diǎn)包括：復(fù)雜的開關(guān)結(jié)構(gòu)；流入穿梭電容的涌入電流；以及，相比其他有源C B方法相對較小的平衡電流。與兩種電容C B方法比較，具有單個(gè)電容的方法需要2n個(gè)開關(guān)，而具有多個(gè)電容的方法需要4(n-1)個(gè)開關(guān)，其中，n是電池?cái)?shù)量。另一方面，具有單個(gè)電容的電容C B無法同時(shí)執(zhí)行，這是因?yàn)閱蝹€(gè)電容與具有多個(gè)電容的C B不同，其會導(dǎo)致C B操作時(shí)間更長?；谶@些特性，具有單個(gè)電容的電容C B方法適合一些具有少量和低容量電池的應(yīng)用，如便攜式工具、無線真空吸塵器等。
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2 電感穿梭方法

圖7顯示具有單個(gè)和多個(gè)電感的電感穿梭C B（以下稱為電感穿梭C B）。包括兩個(gè)示例的電感方法基本操作類似于電容方法。不同點(diǎn)在于電容C B方法中的一些電容被替換為電感?；旧希姼邢木哂凶罡呋蜉^高電壓的電池能量，并傳送給具有最低或較低電壓的電池。

在圖8(a)中，Q1打開，然后B A T1的能量在T1期間存儲到電感L S H U T T L E中。在T2期間，Q1關(guān)閉，而Q2打開，然后充入LSHUTTLE的能量傳送給BAT2。在電池間傳輸?shù)碾娏髟趫D8(b)中進(jìn)行說明。

根據(jù)波形，平均平衡電流可計(jì)算如下，前提是iBAL在T2內(nèi)足夠?yàn)榱悖?br />
與無源方法相比，這些方法的效率也很高，類似于電容C B方法。相反，沒有涌入電流，并且平均平衡電流可設(shè)計(jì)為在所有C B操作期間恒定，相比電容C B方法相對較高，以便總平衡時(shí)間比電容C B方法更短。缺點(diǎn)是開關(guān)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，并且成本比電容C B方法相對更高。這些方法適用于一些需要較短C B操作時(shí)間的應(yīng)用。對于較短的C B操作時(shí)間，具有多個(gè)電感的電感C B方法很適合，因?yàn)榫哂袉蝹€(gè)電感的方法也無法同時(shí)執(zhí)行，和具有單個(gè)電容的電容CB方法一樣。
單個(gè)充電電芯平衡方法

鑒于能量轉(zhuǎn)換和能量傳輸，開關(guān)D C / D C轉(zhuǎn)換器（如降壓、降壓/升壓、反激、正激轉(zhuǎn)換器等）通常用作極有效的解決方案?；陂_關(guān)轉(zhuǎn)換器概念的有源C B方法稱為“單個(gè)充電C B”方法。圖9顯示具有單繞組和多繞組的單個(gè)充電C B的示例。在圖9中，為單個(gè)充電C B方法使用反激轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器的輸入端連接到最高和最低電池的電極，而輸出端連接到每個(gè)電極通過開關(guān)的電池?；静僮魇寝D(zhuǎn)換器將能量傳送給所有電池中具有低電壓的一個(gè)或多個(gè)電池。

這些方法的成本是最高的，但效率比其他有源C B方法更好，并且由于電芯平衡電流更大，即使平衡時(shí)間也可大大縮短。這些C B方法通常應(yīng)用于相對較貴和較高功率的應(yīng)用，如UPS（不間斷電源）、E S S（儲能系統(tǒng)）、電動(dòng)汽車等。

結(jié)論

在本文中，簡要介紹了電芯不平衡的根本原因、使用鋰離子電池的應(yīng)用中C B電路的必要性，以及至今開發(fā)的一些無源和有源電芯平衡特性。此外，電芯不平衡確實(shí)是鋰離子電池的一個(gè)重要問題，其與鋰離子電池的運(yùn)行時(shí)間和穩(wěn)定性密切相關(guān)。采用電芯平衡電路以避免電芯不平衡意味著成本支出，但另一方面，它們非常有助于改進(jìn)LiB和BMS的性能。

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