简单高效，即便不是所有设计人员的共同追求，也是大多数人的目标。本着“简单制胜”的原则，本文针对电池管理系统(BMS)，深入探讨了一种简单而高效的主动均衡系统的设计原型。

引言

您是否依然认为电芯的主动均衡方案要么复杂昂贵，要么简单经济但效率低下？其实，这种看法并不全然源于评估者的主观偏见，而更多是基于对市面上各类主动均衡方案所做的客观且公正的分析所得出的判断。 

本系列文章分为三个部分：

•   第一部分探讨电芯容量不匹配和阻抗不匹配对电池管理系统(BMS)电池包的影响。

•   第二部分介绍市面上几种传统的主动均衡解决方案，并分析为什么过去的设计未能实现简单高效。文中还会讨论为什么电池包之间的均衡与电芯之间的均衡同样重要。

•   第三部分深入评估一个简单高效的主动均衡原型，包括电路设计、算法、GUI和均衡性能。 

随着讨论从基础概念逐步进入细致分析，无论是BMS和主动均衡领域的专业人士和工程师，还是仅仅因标题而产生兴趣的普通读者，都能从中获得有价值的见解和启示。 

第一部分：深入探讨BMS中的主动均衡

电芯不匹配对BMS电池包的影响

在BMS中，多个电芯通常串联连接，形成高压电池包。这种高压电池包能够为多种系统供电，包括电动汽车、高压储能系统和不间断电源。对于这些串联连接的电芯，理想的工作条件是所有电芯具有一致的参数，例如一致的电芯电压、内阻、荷电状态(SoC)、健康状态(SoH)和工作温度。 

实际上，当一批全新电芯刚刚由制造商生产出来时，它们的性能和指标通常是一致的。但在投入实际使用后，随着电芯的老化，负载、环境温度和湿度、充电循环次数等因素会导致电芯性能不可避免地出现差异。 

当电芯之间的性能差异较小时，一般不会对电池包的正常运行造成影响，也无需予以特别关注。但一旦电芯之间的性能差异变得足够显著，威胁到电池包的正常运作，就必须解决此问题。在以下章节中，电芯之间的显著性能差异将被称为电芯不匹配。

电芯容量不匹配

如图1所示，如果电池包中有几个电芯的容量明显低于其他电芯，则称这几个电芯为弱电芯。在充电和放电过程中，弱电芯都会带来问题。在充电过程中，弱电芯会更快达到满电压，先于其他电芯充满电。然而，电池包由多个电芯串联而成，当弱电芯充满电时，充电电流并不会自动停止。因此，一旦弱电芯充满电，整个电池包的充电过程必须立即停止，以避免过充风险，防止危及弱电芯和整个电池包。 

类似地，在放电过程中，弱电芯的电压会更快下降，先于其他电芯更早达到完全放电状态。同样，一旦弱电芯完全放电，整个电池包的放电过程必须立即停止，否则就会有过放电风险，也会带来安全隐患。细心的读者可能很快就意识到，在包含弱电芯的电池包中，整体容量利用率显著降低。若没有电芯均衡，健康的电芯在每次循环中将无法完全充电或完全放电。随着时间推移，电芯经历反复充放电循环，其中弱电芯由于经历更多的循环，往往会出现更快的容量衰减，从而加剧与其他健康电芯之间的不匹配。

图1.电池包充电和放电过程中电芯容量不匹配的影响

电芯阻抗不匹配

除了电芯容量，另一个需要高度关注的重要参数是电芯阻抗。与容量不匹配类似，阻抗不匹配是指电池包中一个电芯的阻抗与其他电芯的阻抗明显不同。一些工程师使用电化学阻抗谱分析(EIS)方法来测量每个电芯的阻抗，并评估它们的健康状态。健康或相对较新的电芯通常具有较低的阻抗，而老化或不健康的电芯往往具有较高的阻抗。通过以下图示，可以更直观地理解阻抗不匹配对电池包性能的影响。 

为了便于讨论，我们将电池包中阻抗明显较高的电芯称为不健康电芯。图2直观地展示了这一现象，将电芯在充放电时的行为简化为一个由电容和电阻串联构成的等效电路模型。需要注意的是，这种抽象是为本文的讨论而作出的必要简化。尽管它有助于说明阻抗不匹配的影响，但并不反映真实电芯的实际物理和电气特性。 

在充电过程中，内阻较高的不健康电芯在给定的充电电流下，会经历更大的电压降。在这种情况下，如果所有电芯都表现出相同的电压值，不健康电芯存储的电能实际上更少。如图所示，不健康电芯在充电过程中具有较小的Vcell_actual值。此外，由于其阻抗造成的功率损耗更高，不健康的功率电芯通常会经受更高的充电温度。 

在放电过程中，更高的阻抗导致在给定的放电电流下，电压降更大，功耗更高。因此，不健康电芯的电压和容量下降速度更快，放电温度通常也更高。随着时间推移，经过反复充放电循环，更高的温度和老化效应会进一步加速不健康电芯的阻抗增加，从而加剧电池包内的阻抗不匹配问题。

图2.电池包充电和放电过程中电芯阻抗不匹配的影响 

通过分析容量不匹配和阻抗不匹配，细心的读者可能注意到，尽管这两种不匹配代表了电芯不均衡的不同方面，但它们最终产生的影响非常相似。无论是容量较低的弱电芯，还是阻抗较高的不健康电芯，它们主要影响的都是电池包的可用容量和工作电压。含有弱电芯或不健康电芯的电池包，其整体容量利用率和安全工作时间会显著减少。此外，这些不匹配的电芯会对电池包内表现良好的电芯的安全性和正常运行构成持续威胁。

BMS中的被动/主动均衡至关重要

基于上文关于电芯不匹配问题的讨论，理解BMS中被动和主动均衡的应用就会容易得多。 

被动均衡是一种耗散性方法，通常在充电周期中进行。弱电芯的容量较低，因此在相同的充电电流下，其电压上升得更快。当弱电芯首先达到或接近满电时，多余的电能必须立即耗散掉。虽然这种电能耗散会导致热量产生和热管理挑战，但可以延长健康电芯的充电时间，最终会提升电池包的整体运行时间。被动均衡在BMS中广泛采用，大多数电芯监测IC都集成了这一功能。 

主动均衡则是通过变压器、电容和电感在电芯之间转移电能。这种方法在充电和放电周期中均有效，能够高效地重新分配电荷。虽然被动均衡和主动均衡各有优缺点（如表1所总结），但在实际BMS设计中，选择哪种均衡方法并非简单地基于优缺点的直接比较，而是取决于电池系统的容量和规模。 

通常，均衡电流设为电芯容量的约1%到5%。例如，在一个4 Ah锂电芯中，如果均衡电荷是容量的5%，则需要进行200 mAh的均衡。这种情形非常适合被动均衡，BMS设计人员可实现一个200 mA被动均衡电路，在大约一小时内完成电荷耗散，或实现一个100 mA电路，在两小时内完成电荷耗散。最终，设计人员可以根据所选的电芯监测IC的被动均衡电流能力和电芯容量，制定具有针对性的被动均衡策略。 

作为对比，考虑一个300 Ah高容量储能电芯，5%的均衡电荷相当于15 Ah。即便使用300 mA的被动均衡电流（已经相当高），也需要50多个小时才能完成均衡。实际的均衡时间会更长，因为在单个电芯通道上长时间地持续进行被动均衡会导致过热，并可能损坏BMS芯片。因此，主动均衡对于高容量电芯是必不可少的。 

例如，如果一个主动均衡电路可以处理15 A的电荷转移电流，则15 Ah的不均衡可在大约一小时内得到纠正。如果容量为7.5 A，则可能需要大约两小时，依此类推。与被动均衡不同，主动均衡不会浪费电能，而是将电能重新分配到其他电芯或电池包，因此能够提升整体能效，同时减轻BMS的热管理负担。

表1.被动和主动电池均衡的优缺点

第二部分：探索适用于BMS设计的高效主动均衡解决方案 

主动均衡设计的简洁与高效，绝非华而不实的宣传噱头。本文将审视并介绍目前市场上广泛采用的几种主动均衡解决方案。我们将分析每种方法的优缺点，目的是整合它们的优势，形成一种更具实用性、更能实现简洁与高效设计的解决方案。最后，我们将强调，尽管大多数现有主动均衡设计主要关注电芯之间的均衡，但电池包之间的均衡同样重要，不容忽视。 

市场上现有的几种主动均衡解决方案

本系列文章的第一部分讨论了主动均衡在电池管理系统(BMS)中的重要性。事实上，市面上早已存在多种主动均衡解决方案。这里将重点介绍图3展示的三种常见主动均衡解决方案。限于篇幅，这里无法探讨所有可用解决方案，但本文介绍的三种方案极具代表性。这三种主动均衡解决方案分别基于反激、多电感和开关电容，利用了电路中广泛使用的三种储能元件：变压器、电感和电容。表2总结了这三种主动均衡解决方案的工作原理及优缺点。

图3.三种最具代表性的主动均衡解决方案架构：反激式（左）、多电感（中）和开关电容（右） 

表2.三种主动均衡解决方案的工作原理和优缺点比较

简化主动均衡：更巧妙的设计方法

如上文所述，传统的主动均衡解决方案要么复杂昂贵，要么简单经济但效率低下。本文探讨的关键问题是如何在确保主动均衡设计足够简洁的同时，维持出色的效率。

重新评估主动均衡的设计要求

得益于日益先进的电池制造技术和严格的质量控制流程，单体电芯的性能，尤其是规格相同且来自同一制造商的电芯的性能，通常高度一致。然而，单体电芯通常不会直接出售给电动汽车(EV)或储能系统(ESS)市场中的终端用户。相反，专业电池包制造商会将多个规格相同的新电芯组装成中高压电池包，然后将其出售给电动汽车和储能系统制造商这样的终端用户。 

由此不难明白，对于新组装的电池包，内部的电芯应具有相似且一致的性能。但需要注意的是，在新电池包首次使用之前，电池包中各个电芯的电压和荷电状态(SOC)未必一致。这是因为，新制造的电池不一定会在生产出来后就立即组装成电池包。此外，在电池包完成组装后，产品运送到终端用户并投入实际使用之前，也会需要一些时间。 

在长时间的储存或运输期间，无论是对于单体电芯还是组装好的电池包，电芯之间的电压和SOC不均衡很容易发生。这个问题并不少见。新的（或相对较新的）电池包经过长时间储存或运输后，如果出现不均衡迹象，并不一定表明电芯性能不匹配。事实上，这些电芯仍可能具有非常相似的特性。务必注意，性能相似并必然意味着电压或SOC水平相似，尤其是在经过长时间储存或运输之后。 

因此，对于已储存或运输较长时间的电池包或电芯，在投入使用之前，一般建议进行主动或被动均衡处理。 

除了储存和运输场景之外，还有一个需要注意的情况：随着电池包运行时间的延长及充放电循环次数的增加，单体电芯之间的性能差异可能较电池包组装初期有所扩大。 

随着储能系统容量的持续增长，单体电芯的容量现在已达到320 Ah、600 Ah，甚至1000 Ah。其中，320 Ah代表以前的主流容量，600 Ah正成为当前标准容量，而1000 Ah被视为未来方向，有些制造商已经实现1000 Ah高容量电芯的量产能力。 

对于不具备主动均衡能力或仅使用被动均衡的大容量电池包，电芯之间的初始微小不均衡随着时间的推移，可能会逐渐演变为显著的不匹配，原因是均衡能力有限，而且长期充放电循环会带来累积效应。最终，这种电芯不匹配可能导致电池包在实际运行过程中出现显著的容量损失和安全风险（例如过充和过放）。

主动均衡的两个关键作用

电池包内电芯不匹配问题几乎无法避免，主动均衡因此成为改善性能的必要手段，可实现如下两大功能：

1. 预防功能：在没有显著不匹配的电池包中，电芯状况良好，性能差异极小。在这种情况下，主动均衡的工作量相对较轻。如果将主动均衡比作监测电芯健康状况的医生，那么它只需定期对电芯进行检查即可。这种简单的监测有助于防止或延迟性能差异的放大，使电芯不匹配的可能性最小化，并有效延长电池包的使用寿命。

2. 纠正功能：在已经存在较弱或不健康电芯的电池包中，主动均衡可利用灵活性、大均衡电流和快速均衡特性，在较弱、不健康和表现良好的电芯之间重新分配电荷。由此可以有效延长受电芯不匹配影响的电池包的使用寿命，确保电池包安全稳定地运行，同时降低过充和过放的风险。更重要的是，电芯不匹配对电池包容量损失的影响被尽可能降低。在此阶段，主动均衡如同外科医生，努力缓解电芯不匹配问题并延长电池包的使用寿命。

为何要简化设计？具体如何实现？

既然上述三种主流的主动均衡解决方案已经在市场上得到广泛应用，为什么还要继续进一步简化主动均衡设计？原因在于，虽然这三种解决方案（及其他未介绍的方法）都已成熟且有效，但它们仍然存在相当大的改进潜力。 

本文的主要目标是分析过去的解决方案，综合利用各种主流方法的优势，形成一种更具实用性、更能实现简洁与高效设计的解决方案。 

例如，反激式隔离主动均衡架构的特点是效率高，特别是需要在非相邻电芯之间进行均衡时，这种架构的性能明显优于其他方法。另一方面，基于多电感和开关电容的主动均衡方法在均衡相邻电芯时表现出色，控制逻辑更简单，运行稳定且性能强大。 

总之，如果期望简化后的解决方案能够实现高均衡效率，则应优先考虑基于反激的均衡电路架构。然而，基于反激的均衡电路通常需要变压器，而使用大量变压器会导致成本增加、系统体积增大，控制逻辑变得更加复杂。因此，当追求简化设计时，务必在保持高效率的同时，尽量减少变压器的数量。对此，容易想到的一个思路是让电池包内的所有电芯共享同一反激电路和变压器。 

但是，仅仅简化硬件和减少变压器数量还不够。控制逻辑和运行策略的简化也同样重要。主动均衡是一种系统级解决方案，设计人员不仅需要考虑使用哪些IC和元件来实现能量传输（属于硬件设计），还必须密切关注均衡策略，即主动均衡算法的设计（属于系统软件设计）。 

一般而言，电池均衡算法的设计取决于所支持的硬件架构。因此，在简化均衡硬件设计的同时降低算法设计的复杂度，仍然是一个必须解决的关键挑战。

一种经过简化的主动均衡设计

基于上文讨论的概念，本文提出了一种简单而高效的主动均衡解决方案，如图4所示。这种设计具有一个16电芯的电池包，利用两个独立的反激电路和两个变压器：一个用于电芯之间的均衡，另一个用于电池包之间的均衡。 

在电芯间均衡部分，所有16个电芯共享一个基于反激的主动均衡电源电路。通过开关矩阵选择性地将均衡电路连接到不同电芯，实现对相同硬件资源的分时利用。这种设计既简单又精巧，避免了不必要的复杂性，同时保持了高效率和稳健的性能。因此，这种方法在主动均衡系统设计中表现出显著的优势。 

此外，这种解决方案支持单体电芯之间和多个电池包之间的双向均衡，显著增强了跨电池包均衡的有效性。常规解决方案往往依赖外部独立电源（如单独的12 V或24 V电池）来支持电芯间甚至电池包间的均衡，但这种设计则不同，它完全利用电池包内部的能量实现均衡。这样不仅提高了系统整体效率，还减少了硬件和软件设计的复杂度。 

关于简化的均衡算法设计，将在本系列文章的第三部分详细讨论。然而，这种算法有如下两个关键原则：

1. 在电池包内实现真正的双向电芯间均衡会导致设计过于复杂，因此这种算法依赖中间充电缓冲区来实现间接均衡。具体而言，电池包内的n个相邻电芯被指定为缓冲区。然后通过两步流程实现均衡：电芯到缓冲区放电，随后是缓冲区到电芯充电，从而有效模拟单体电芯之间的双向电荷转移。

2. 在电芯到缓冲区放电期间，源电芯的能量均匀分配到n个缓冲电芯中。而在缓冲区到电芯充电期间，目标电芯所需的能量均匀地从n个缓冲电芯中获取。 

这种方法在简化硬件架构的同时，依然具备高性能均衡能力，在成本、效率与实际应用价值之间实现了理想平衡，因而成为先进BMS部署的高度实用且可扩展的解决方案。

图4.经过简化的主动均衡解决方案的示意图，采用LT8306、LT8309、ADP1612、MAX7312、MAX32670和ADBMS6830B

为什么电池包之间的均衡同样重要

在继续讨论建议的解决方案之前，让我们首先探讨为什么电池包之间的均衡也非常重要。 

在由BMS和电池包组成的系统中，当BMS工作时，多个电路模块会消耗电力，包括电芯监控、隔离通信、温度传感器、主动均衡和被动均衡等。然而，让不同BMS电路实现相同的功耗水平非常有挑战性。即使两个BMS电路的功耗几乎相同，但如果它们监控的电池包具有不同数量的电芯（并不罕见），情况也会变得更加复杂。 

在这种情况下，电芯较少的电池包需要为其电芯监控器提供更大的I_MONITOR电流。随着时间推移，供电电流的差异会累积，两个电池包之间的不均衡会变得更加严重。如果没有适当的均衡调整，这种差异会导致电池包的容量显著不匹配。因此，电池包之间的均衡同样重要。参见图5。

图5.电池包之间不匹配情况的示意图

本部分介绍了市场上常见的几种主动均衡架构。通过综合利用每种架构的优势，我们提出了一种更具实用性、更能实现简洁与高效设计的解决方案。 

然而，必须要承认的是，尽管这种均衡解决方案注重简洁与高效，但在实际应用场景下，任何单一设计都无法轻松解决所有电芯不匹配问题。随着单体电芯容量从320 Ah提升到600 Ah，甚至1000 Ah，电芯不匹配问题会更加明显。在这种情况下，任何均衡策略在部署到电池包之前，都必须进行仔细评估和验证。 

ADI公司提供的解决方案涵盖了几乎所有主流的主动均衡架构，包括本文讨论的三种架构。每种架构都有其优点、局限性和理想应用场景。系统设计人员可以根据具体需求，灵活选择合适的解决方案。 

第三部分：高效主动均衡背后的架构 

在系统级电路解决方案中，为了实现或平衡“简洁与高效”这两大目标，往往需要统筹考量硬件架构与软件算法。主动均衡正是这种系统级解决方案的典型体现。在硬件层面，设计人员需审慎选择合适的IC和元器件以实现能量转移；与此同时，主动均衡策略的设计，即主导均衡过程的关键算法，也应给予同等重视。本文深入探讨了电池管理系统(BMS)高效主动均衡设计背后的架构和算法。 

承续本系列已阐述的主动均衡概念，接下来将从两个维度继续讨论该主题：均衡架构和均衡算法。我们将从硬件和软件两个层面，探讨如何设计一个高效、精简、易于部署与评估的系统级主动均衡解决方案。 

本部分重点介绍均衡架构。设计方案中包括一个开关矩阵主板、两个反激电源板、一个电池管理系统(BMS)控制板、一个微控制器单元(MCU)评估板和一个isoSPI隔离通信评估板。以下章节将简要介绍每个硬件板的功能。

开关矩阵电路板

在主动均衡设计中，电荷需要在电芯之间以及电池包之间传输。正如本系列第二部分所述，更高效、更精简的均衡解决方案采用多电芯电池包，并使用两个独立的反激电路和两个变压器：一个专用于电芯之间的均衡，另一个专用于电池包之间的均衡。开关矩阵以时分复用的方式，选择性地将不同电芯连接到主动均衡电路。 

该主动均衡架构中的开关矩阵是基于先前讨论的概念构建而成。它包含一个16通道电芯选择矩阵，能够精确接入目标电芯进行均衡。此外还有四个极性选择开关，用于在选定电芯连接到反激电路时调整电压极性。整体均衡架构如图6所示。

图6.主动均衡电路架构示意图 

该架构使用单个反激电源级，通过在电池包内的多个电芯之间分时共享一个反激转换器来实现电芯间均衡。可选择被均衡电池包中16个电芯中的任何一个进行均衡。 

反激电源级由LT8306驱动，后者是一款高集成度且高效的控制器，只需极少的外部元件，非常适合主动均衡系统中的隔离式能量转移应用。模组电压直接来源于已均衡的电池包，因此在运行期间，即使单个电芯电压出现波动，占空比变化仍能保持最小。这使得充电和放电能够接近恒流，从而带来更稳定的硬件性能，并大大简化主动均衡算法的开发和调试，如表3所示。 

理论上，源自电池包中N个电芯的模组电压Vmodule可能并不完全等于N × Vcell（任何单个电芯的电压），但实际上，配置良好且运行正常的主动均衡系统能以非常高的一致性维持Vmodule ≈ N × Vcell。

图7.基于本文所提出架构的单电芯放电的LTspice仿真 

表3.电芯均衡期间的占空比变化（假设模组电压为N个电芯的电压之和，其中N = 8）

占空比（电芯放电）= (Vcell × N + VF) × NPS/(Vcell + (Vcell × N + VF) × NPS)

占空比（电芯充电）= (Vcell + VF) × NSP/(Vcell × N + (Vcell + VF) × NSP)

NPS = 1:N；NSP = N:1；VF = 0.3 V 

反激电路设计和仿真

LT8306与Würth变压器（产品型号749119533）和必要的无源元件结合使用，可实现隔离式反激电源级，作为主动均衡架构的一部分，用于电芯之间的能量转移。图7和图8展示了该架构中使用的反激电路的LTspice^®原理图和相应的仿真结果。仿真清楚地表明，该电路实现了预期的电芯充放电双向均衡。

升压转换器和同步整流

在该架构中：

•   在电芯侧，LT8306由7 V稳压电源供电。假设单个锂离子电芯的最大电压为4.2 V，该架构的推荐工作范围为3.0 V至4.2 V，则7 V电源轨由ADP1612升压转换器对电芯电压进行升压来产生。该器件是一款高性价比、高效率转换器，非常适合将均衡电路中的低电芯电压升高至适当的电平，以确保LT8306在最佳范围内工作。 

•   在电芯均衡充电期间，反激输出与单个电芯的电压一致。在如此低的电压和相对较高的充电电流下，使用二极管进行续流会造成显著的损耗和过热问题，而且这些问题会随着电芯电压下降而变得更加严重。但是，若将LT8306与LT8309等同步整流控制器配合使用，则可实现高效率转换路径，同时最大限度地减轻热应力，尤其是在低电压、高电流情况下。

图8.基于本文所提出架构的单电芯充电的LTspice仿真 

图9显示了采用ADP1612升压转换器和LT8309同步整流以实现主动均衡的反激电源级的完整LTspice仿真。

反馈设计考量因素

利用LT8306进行主动均衡的一个关键因素是其反馈网络的设计。从电芯到反激电路输入端的路径的总电阻（称为R_ROUTE）通常不容忽略。该电阻由以下几部分构成：电芯内阻、母线电阻、线束电阻、连接器电阻、保险丝电阻、PCB走线电阻以及六个串联MOSFET的总导通电阻R_DS(ON)。 

根据元件选择、线束质量和实际装配条件，R_ROUTE可能会有很大差异，从几十毫欧到几百毫欧不等。其精确值通常需要现场测量才能确定。当乘以平均充电电流（I_CHARGE，可达数安培）时，R_ROUTE两端的电压降可能在几十到几百毫伏之间。对电芯充电时，次级侧LT8306以相对较高的开关频率(Fsw)工作。在这种情况下，由电芯输入端反激级的大布线电阻(R_ROUTE)和大输入电容器(C_INPUT)形成的时间常数τ = R_ROUTE × C_INPUT变得非常重要。如果该τ超过反激开关周期(Tsw = 1/Fsw)，特别是如果它超过次级LT8306关断时间(Toff)，那么当LT8306采样保持误差放大器对次级电压进行采样时，R_ROUTE两端的电压降尚未衰减到0 V。 

因此，当τ较大时，必须将此电压降的影响纳入LT8306反馈电阻网络的计算中。虽然与总模组电压相比，此电压降相对较小，但相较于单个电芯的电压，此电压降却很大。 

因此，使用LT8306设计电池充电电路时，必须将此电压降纳入反馈电阻的计算中。与数据手册中给出的公式相比，改进后的反馈电阻计算公式为：

而原式为：

RFB = 反馈电阻

V_OUT = 输出电压

V_F = 输出二极管正向电压

N_PS = 变压器有效初级/次级匝数比

VROUTE = R_ROUTE两端的电压降 

这种调整可确保电压调节精准且运行稳定，尤其是在电芯充电电流较高的情况下。

图9.基于本文所提出架构（同步整流）的单电芯充电的LTspice仿真 

电池包间的主动均衡设计

我们还针对电池包间均衡场景进行了LTspice仿真和实验验证。由于核心操作与电芯间均衡非常相似，因此图10中仅展示了仿真原理图和关键结果。 

实施基于电压的电池包间均衡策略时，务必确保电池模组之间的均衡电流路径不经过电池包的主端子（V+和V-）。这种预防措施可防止干扰电池包总电压的测量，无论是直接在V+和V-之间测量，还是通过对电芯1至电芯16的各个电芯电压求和来计算。

图10.基于本文所提出架构的电池包间均衡的LTspice仿真

图11.不同电池包间均衡连接方法对电池包电压测量的影响 

图11展示了不同接线方法对电池包电压测量精度的影响，而图12显示了针对电池包间均衡的建议连接方案。

图12.电池包间均衡的建议连接方法

BMS控制板

主动电芯均衡的实现根本上依赖于BMS，更具体地说，依赖于BMS电芯监控单元提供的功能。在主动均衡架构中，电芯监控器发挥着几个重要作用，包括：

1. 实时监控每个电芯的状态——跟踪电压、温度和保护限值（如过压和欠压状况）。

2. 开路故障检测和诊断——确保整个系统的安全性和可靠性。

3. 均衡开关控制——充当I²C主机，解译从MCU通过isoSPI接收到的均衡指令，并将其转发到I/O扩展器芯片，根据需要管理读/写操作。

4. 均衡状态管理——通过I²C来处理板载EEPROM运行数据的读写操作。

5. 菊花链通信——以菊花链配置高效传输数据，尽量减少MCU的需求量。 

以上只是主动均衡电路中电芯监控器众多功能的一部分，但已然清楚地说明了其所发挥的关键作用。 

在该架构中，ADBMS6830B用作BMS控制单元。这款高性能多电芯电池组监控器支持测量多达16个串联电芯；在全温度范围内，整个使用寿命期内的总测量误差(TME)小于2 mV。因此，它能够对已均衡电池包中的所有16个电芯进行精确、实时的电压监控。 

ADBMS6830B的输入测量范围为-2 V至+5.5 V，兼容多种电池化学体系，从高电压的锂镍锰钴氧化物(NMC)电芯到低电压的LiFePO₄电芯，可灵活适配不同类型的电池。此外，所有电芯均可通过两个独立的ADC进行同步和冗余采样，从而确保电压数据高度准确可靠，使均衡算法有效运行。

MCU评估板

在此架构中，MAX32670用作主要控制单元。除非另有说明，后续提及的所有MCU均指MAX32670。它是一款超低功耗、高性价比且高度可靠的32位微控制器，能够提供复杂传感器和控制任务所需的处理裕量，非常适合工业和物联网应用。 

在该主动均衡架构中，控制逻辑分布在两个主要位置：

1. 主机端控制——PC上运行的主动均衡GUI。

2. 嵌入式控制——MCU上执行的固件。 

MCU通过UART与主机GUI通信，并通过SPI与BMS对接；通常采用isoSPI模块来实现电气隔离并提升通信稳健性。MCU还利用定时器和GPIO等内部外设来管理均衡过程中的时序、状态控制和I/O功能。 

目前，该架构未设计定制MCU板，而是采用MAX32670EVKIT评估板。这种方式可加快开发速度，固件和驱动程序代码可利用SDK编写和调试，然后写入到MCU的闪存中，并与主动均衡GUI一起进行验证，从而实现全功能系统验证，而无需在早期阶段使用定制MCU PCB。 

isoSPI隔离通信评估板

在该架构中，DC2792B隔离通信评估板（基于LTC6820）用于实现MCU与电芯监控器之间的通信。LTC6820支持两个电气隔离器件之间通过单条双绞线缆进行双向SPI通信。 

在运行过程中，它将MCU的4线SPI信号转换为2线isoSPI脉冲信号，以传输到电芯监控器，同时能够反其道而行，将从电芯监控器接收到的isoSPI信号解码回MCU使用的标准4线SPI信号。 

LTC6820的隔离功能并非强制要求，但它通过在电气上隔离高压域和低压域，显著提升了系统的可靠性和安全性。这可以保护电池包、BMS控制电路和MCU硬件，同时将高压风险降至最低，从而增强系统开发人员和最终用户的安全保障。出于这些原因，强烈建议在该架构中使用LTC6820。 

均衡过程中的SOC计算

该架构实现了接近恒流的充电和放电过程，有利于电芯均衡，大大简化了均衡过程中对荷电状态(SOC)的估算和监控。由于该架构在整个均衡过程中维持接近恒定的电流，因此用户通常只需要跟踪三个关键参数：均衡持续时间、均衡状态（充电或放电）和预测量的均衡电流。利用这些参数可以获得近似的SOC估计值，而无需专用库仑计数器IC。 

当然，对于均衡过程中需要更高精度SOC计算的应用，使用库仑计仍然是最准确的方法。 

主动均衡架构的物理演示

该架构的物理实现如图13至图16所示。这些图片展示了用于在由16电芯组成的电池包中实现主动均衡的硬件设置。

图13.主动均衡架构内的主板

图14.架构中有两个反激电路：一个专用于电芯间均衡，另一个专用于电池包间均衡

图15. 架构中的isoSPI通信板和MCU控制板

图16.在使用真实16电芯电池包（每个电芯的额定容量为40 Ah）的主动均衡实验中，该架构的物理接线和连接图

第四部分：高效主动均衡背后的算法 

一般而言，主动均衡算法的设计取决于所支持的硬件架构。因此，在简化均衡硬件设计的同时降低算法设计的复杂度，仍然是一个必须解决的关键挑战。本文将深入剖析电池管理系统(BMS)高效主动均衡设计背后的算法。需要注意的是，由于均衡算法与硬件架构通常深度集成且需协同优化，本文所讨论的算法主要针对本系列文章中介绍的架构。即便如此，文中提出的诸多设计原则、权衡考量及实现思路，仍可为工程师开发其他主动均衡架构的均衡算法提供灵感。 

在本系列文章的前几部分中，讨论重点主要集中在如何选择合适的集成电路(IC)与元器件，以构建主动均衡电路或架构。由于均衡算法在主动均衡系统中举足轻重，因此有必要对其进行深入探讨。 

因此，本文旨在尝试开发一种专门针对本系列所介绍的均衡架构的算法。目标是提供一套高效、简洁且易于部署和评估的主动均衡算法参考设计，帮助工程师及从业者快速实现、测试，并直接观察ADI解决方案在电池包中的实际均衡性能。 

话虽如此，有一点值得反复强调：尽管本文所提出的均衡算法强调简洁性与高效性，但在实际应用中，不存在任何一种单一算法能一劳永逸地应对所有电芯不一致场景。任何均衡策略在投入实际电池系统使用前，都必须经过全面的评估与验证。

主动均衡图形用户界面软件

基于本系列之前文章中介绍的主动均衡概念，主动均衡系统的控制代码主要部署在两个位置：嵌入式微控制器(MCU)和基于个人电脑(PC)的主动均衡图形用户界面(GUI)。MCU的作用与功能已在之前的文章中讨论过，本部分将重点介绍PC端评估软件，即主动均衡GUI。 

图17和图18展示了本设计架构中所用GUI界面的截图。为避免视觉混乱，仅对功能不直观的部分进行了标注，以确保清晰明了。 

该GUI既是MCU与电脑之间的通信桥梁，也提供实时数据可视化功能，可显示电芯电压、指示每个电芯的均衡状态，并捕获和记录系统故障或异常运行情况。最重要的是，该GUI集成了自动化主动均衡算法，因而不仅是一款监控工具，更是执行均衡过程的关键驱动程序。

图17.主动均衡GUI：显示电芯电压、均衡状态和错误警报的图形界面。

图18.主动均衡GUI：调试期间用于监控MCU与GUI数据交互的日志窗口。 

主动均衡算法下的性能表现

本设计架构支持主动均衡过程的两种控制模式：手动均衡控制和全自动算法控制。

1.   手动均衡控制

在手动模式下，用户可直接发送指令，对单个电芯进行充电、放电或禁用均衡操作。该模式适用于诊断测试，或针对特定电芯执行定向均衡干预与微调。

2.   自动化主动均衡算法

在自动模式下，操作流程经过简化以提升易用性：将电池包连接至系统、启动GUI软件、建立与MCU的串行通信，然后点击AUTO_ENABLE按钮。此后，系统将自动使所有16个电芯达到相同电压水平，无需用户进一步干预。

图19至图21展示了在启用自动化均衡功能的情况下，三种不同运行状态（充电、放电、空闲）下电芯电压的收敛过程。测试所用的电池包中包含16个镍锰钴(NMC)锂离子电芯，每个电芯的额定容量为40 Ah。

•   充电状态：使用最大电流为10 A的充电器为电池包充电，电芯电压从约3.65 V升至接近4.1 V。

•   放电状态：将电池组连接至10 Ω的大功率电阻负载，电芯电压从约3.85 V降至约3.65 V。

•   空闲状态：电池包处于空闲状态，未连接充电器或负载。 

在所有这三种情况下，测试开始时均有意使电芯电压处于不均衡状态，以更好地展示主动均衡电路的收敛效果。当所有电芯的电压偏差收敛到阈值范围内（定义为与平均电压的差值在±3 mV以内）时，自动均衡停止条件被触发，实验随即终止。 

如图19至图21所示，启用自动化算法后，16个电芯的电压收敛到了较窄的容差范围内。由此证明，所提出的架构与算法不仅在空闲状态下，在充电和放电阶段均能实现稳定且有效的均衡。

图19.电池包以最大电流10 A充电，启用自动化主动均衡算法。

图20.电池包通过10 Ω大功率电阻放电，启用自动化主动均衡算法。

图21.电池包处于空闲状态，启用自动化主动均衡算法。

自动化均衡算法的执行逻辑

自动化均衡算法以循环、顺序的方式运行：依次对16个电芯进行均衡，之后重复该过程。它不会尝试在一次循环中完全平衡单个电芯，而是采用轮询策略，执行多次短时间的均衡周期。这种方式可避免单个电芯的均衡停留时间过长，因为停留过长会降低整体均衡效率，还可能影响电池包安全性。持续聚焦单个电芯的均衡，还可能导致其他长时间空闲的电芯面临过充或过放风险。通过在所有电芯间分配均衡任务，电芯电压偏差能高效收敛至预设的停止阈值。 

算法根据电芯分组，采用两种互补的均衡方法：

1. 缓冲区均衡（2-9号电芯）——相对均衡

•   计算缓冲区组（2-9号电芯）的平均电压，记为Avg(2-9)。

•   每个缓冲区电芯（2-9号）均以Avg(2-9)为基准进行均衡，而非以电池包整体平均电压(AvgALL)为基准。 

2. 独立电芯均衡（1号、10-16号电芯）——绝对均衡

•   计算全部16个电芯的电池包整体平均电压，记为AvgALL。

•   每个独立电芯（1号、10-16号）均以AvgALL为基准进行均衡，向该电压值靠拢。 

无论是缓冲区电芯还是独立电芯，其均衡方向（充电或放电）与均衡时长，均由各个电芯电压偏差的正负符号和偏差幅度决定。尽管均衡时长大致与偏差幅度成正比，但不会出现单个电芯主导整个均衡过程的情况。算法通过短时间、迭代式的循环遍历所有电芯，确保电压偏差快速、稳定地收敛。 

均衡过程的最终目标是让电池包内所有电芯的电压尽可能接近AvgALL。将算法划分为“缓冲区组相对均衡”与“独立电芯绝对均衡”，原因是为了提升效率：如果缓冲区电芯直接以AvgALL为基准均衡，它们在作为其他电芯的能量储备库时，会反复经历充放电循环，导致均衡收敛效率低下。通过相对均衡，先让缓冲区电芯电压与Avg(2-9)对齐，再以缓冲区整体为独立电芯充放电，系统能实现更快的整体收敛。在一个完整均衡周期结束时，Avg(2-9)与AvgALL可能并非完全一致，但会非常接近，从而确保整个电池包达到良好的均衡状态。 

为进一步提升效率与可靠性，倘若某一电芯的电压偏差已在容差范围内，或检测到异常情况，算法会跳过这一电芯，继续处理下一个符合条件的电芯。

架构设计原理与基于缓冲区的均衡机制

细心的读者或许会发现，上述均衡策略与理想的全双向电芯间均衡拓扑存在差异。原因一目了然：若不引入极高的架构复杂度，要在电池包内任意两个电芯之间实现真正的直接双向能量传输，在实际应用中并不可行。 

为解决这一难题，该算法借助中间充电缓冲区实现间接均衡。具体而言，电池包内n个相邻的电芯被指定为缓冲区。这一配置在均衡架构图（图22）中也有体现，图中缓冲区被描绘为由这n个连续电芯组成的模块。 

传统设计依赖独立的外部电源（如大容量12 V或24 V电池）作为缓冲区，而本架构则完全利用电池包内部已存储的能量运行。这种方式不仅提高了系统整体效率，还降低了软硬件的设计复杂度。 

本架构与算法中的均衡过程通过两步式能量传输实现。

1. 电芯到缓冲区放电：将过充电芯的能量转移至缓冲区电芯中。

2. 缓冲区到电池充电：而后将缓冲区的能量重新分配给欠充电芯。 

这种两步式流程，在功能上等效于实现了双向电芯间均衡，同时避开了直接一对一传输拓扑的工程复杂度。这种拓扑虽被视为理想的均衡形式，但因其电路复杂度高、成本高，在大型电池包中往往难以落地。在这种方法中，当某个电芯需要充电时，所需能量会从缓冲区电芯中统一获取；反之，当某个电芯需要放电时，其多余能量会被均匀重新分配回缓冲区电芯。

图22.基于LT8306、LT8309、ADP1612、MAX7312、ADBMS6830和MAX32670的主动均衡电路架构图。

临时暂停和重新激活自动均衡的条件

当2到9号电芯相对Avg(2-9)的电压偏差降至设定阈值（例如±3 mV）以下，且1号、10到16号电芯相对AvgALL的电压偏差也处于同一阈值内时，自动化均衡过程会临时暂停。此时，Avg(2-9)与AvgALL可能并非完全一致，但会十分接近。满足这些条件后，算法将转入待机状态，等待下一次均衡触发。

自动化均衡算法在激活状态下，会持续轮询电池系统，判断是否需要启动均衡。触发条件可由用户配置，默认触发逻辑为：当16个电芯中最高电芯电压与最低电芯电压的差值超过10 mV时，启动均衡。

算法激活后，会持续运行直至满足暂停条件，随后停止并等待下一次触发事件。如前所述，暂停条件保持不变，此处不再赘述。

为避免均衡过程过度循环及不必要的能量损耗，在触发阈值(10 mV)与暂停阈值(±3 mV)之间设置了“滞回带”。这可确保仅当电芯出现显著电压偏差时，均衡才会重新激活，从而同时提升系统效率与使用寿命。

特殊注意事项

由于电芯电压采样线束与主动均衡线束共用同一布线，且受本系列之前文章提及的线路电阻(Rroute)及大均衡电流的共同影响，主动均衡过程中会出现电压降。如图7至10所示，该电压降会影响电芯电压测量的准确性。因此，必须定期暂停主动均衡，以获取准确的电压读数。

•   如果暂停过于频繁，会降低均衡效率。

•   如果暂停间隔过长，可能导致过度均衡。

在本架构中，算法会根据观测到的电压偏差估算所需均衡时长，例如每5 mV偏差对应约1分钟均衡时间。达到计算出的时长后，均衡会自动暂停以进行准确的电压测量，随后算法将决定下一步操作。

这种自适应时序策略相比固定间隔方式提升了效率，但它依赖于“充放电电流接近恒定”这一前提。在本设计中，电流稳定性通过直接从电池包获取缓冲区电压而非依赖外部电源来实现，即便电芯电压在3.0 V至4.2 V之间变化，也能确保电流接近恒定。

尽管组合使用采样线束与均衡线束会在均衡期间引入测量误差，但也带来了显著优势：

•   减少线束数量，简化布线，节省印刷电路板(PCB)空间。

•   均衡期间观测到的电压降可作为运行状态指示器，帮助确认主动均衡电路是否正常工作。

图23.主动均衡功能未激活时，电芯电压测量值保持稳定。

图24.主动均衡运行期间，为特定电芯充电时对电压测量的影响。

图25.主动均衡运行期间，为特定电芯放电时对电压测量的影响。

图26.主动均衡运行期间，均衡电流对电芯电压测量的影响：左侧为电芯充电，右侧为电芯放电。

结语

至此，本系列关于主动均衡的文章已画上圆满句号。显然，即便我们力求详尽阐述，要在有限篇幅内将这类系统性设计的所有细节囊括无遗，仍是不小的挑战。许多错综复杂的设计要素，尤其是本主动均衡方案中涉及的完整软件编程内容，终究无法在此一一铺陈。 

本系列文章的核心目标，在于点燃对电池主动均衡技术感兴趣的工程师及电子爱好者的探索热情与创新灵感。我们诚挚鼓励读者，或是直接采纳文中介绍的设计方案，或是以此为基石进一步深耕拓展，通过持续创新，打造出兼具简洁性与高效性的主动均衡解决方案。

关键词： 电池管理系统 ADI 202603