随着新能源和电动汽车的快速发展，能量密度高于锂电池的应用越来越多。在锂电池串联使用过程中，为了保证电池电压的一致性，必然会使用BMS提高电池的使用性能和使用寿命。
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电池均衡概述
电池平衡是一种通过最大限度地提高多个串联电池的容量来延长电池使用寿命的技术。电池平衡是指在一系列电池组中使用不同电池的差电流。电池平衡器是电池管理系统中执行锂电池电动汽车和ESS电池平衡在应用中很常见。
一般来说，电池组的每个单元都有不同的容量置SOC水平(SoC指个别电池随充放电，相对于其最大容量的剩余容量)。如果不重新分配，当容量最低的电池被排空时，即使其他电池没有排空，也必须停止放电，这限制了电池组的能量输送能力。平衡电池是指电池组中的每个电池具有相同的电荷状态 (SoC)。
在平衡过程中，高容量电池经历了完整的充放循环。如果没有电池平衡，容量最低的电池是一个弱点。即使其他电池单元仍有大量剩余电量，整个电池组也只能在其最弱的电池单元完全放电后充电。因此，平衡每个电池单元可以最大限度地提高电池组的容量，并确保所有能量都可以使用，从而提高电池寿命。电池平衡功能除了提高电池容量外，还可以防止电池单元过充过放，从而保证电池的安全运行。电池均衡是BMS除了温度监测、充电等有助于延长电池组寿命的功能之一。
电池平衡的必要性
当需要将多个电池组合在一起供电设备时，需要平衡电池。由于电池单元相对脆弱，如果充电或放电过多，就会死亡或损坏。不同SoC当电池开始使用时，电压开始下降，直到储存能量最少的电池达到电池的放电截止电压。当时，如果能量继续流经电池，它将受到无法修复的损坏。如果试图将这组电池充电到正确的组合电压，健康的电池将过度充电并损坏，因为它们将吸收损坏的电池无法再存储的能量。第一次尝试使用不平衡的锂电池会损坏，这就是为什么需要电池平衡。
电池均衡的其他原因包括：
热失控
电池，尤其是锂电池，对过充和过放非常敏感。当内部热量超过损失速度时，就会导致热失控。提高温度会改变锂电池的结构，在电极上形成表面膜，使锂电池衰减更快。此外，过多的积热可能会损坏电池平衡开关和电阻。电池组中的每个无缺陷电池都应与其它无缺陷电池具有相同的相对容量。由于热量是导致热失控的主要因素之一，除了电池平衡器外，还可以使用冷却系统来保持电池组温环境中，最大限度地减少热量保留。
电池老化
当锂电池充电过多，甚至略高于推荐值时，电池的能量容量、效率和生命周期都会降低。电池老化主要由以下原因引起：
袋式电池中电极的机械退化或堆压损失。
阳极上固体电解质界面(SEI)当充电电压保持在3时.92v/cell以下时，SEI被认为是基于石墨的锂电池容量损失的大多数原因。
电解质氧化在正极形成(EO)，容量突然损失可能导致。
阳极表面镀锂由高充电率产生。
电池组的不完全充电
电池以0.5到1.恒定电流充电率为0倍，电池电压随充电而升高，充电后达到峰值，然后下降。考虑到这三个，分别是77Ah、77Ah和76Ah且100% SoC电池，然后所有电池都被放电，而且SoC由于容量最低，3号电池很快就会耗尽能量。
当电池组通电时，当相同的电流通过电池时，电池3在充电过程中再次滞后，可以认为是完全充电，因为其他两个电池已经完全充电。这意味着电池自热不平衡，电池3的库仑效率 (CE) 较低。
电池组能量不完全使用
消耗超过电池设计容量的电流或短路最有可能导致电池过早故障。当电池组放电时，弱电池比健康电池放电更快，比其他电池达到最低电压更快。在电池运行过程中，提供定期的休息时间，以保持电池中的化学转换。
电池均衡类型
主动均衡
主动电池平衡通常将能量从一个电池传输到另一个电池。也就是说，从高压/高压SoC电池转移到低SoC电池。主动平衡的目的是，如果你有一组容量较低的电池，你可以通过从一个比另一个能量更高的电池转移能量来延长电池组的使用寿命或SoC。
主动电池平衡通过微转换器电路有效地将能量从高电压电池传递到低电压电池，避免失。主动电池平衡有两种不同的类型：电荷转移和能量转换。电荷转移用于主动将电荷从一个电池传输到另一个电池，以实现相同的电池电压。能量转换是利用变压器和电感在电池组之间移动能量。
其它有源电池平衡电路通常基于电容、电感或变压器和电力电子接口：
基于电容器
? 这种方法很简单，因为它使用单个电容器，与电池中连接的电池数量无关。然而，该方法需要大量的开关和智能控制。
? 多个电容器将多个电容器连接到每个电池，通过多个电容器传输不同的电池能量，不需要电压传感器或闭环控制。
基于电感器或变压器
? 单/多电感，单电感电池平衡电路体积小，成本低，多电感平衡速度快，电池平衡效率高。
? 单变压器，平衡速度快，磁损耗低。
? 多变压器，这种电池平衡器具有快速平衡的速度，但它需要一个昂贵而复杂的电路来防止变压器被淹没。
基于电力电子接口
? 高压电池的能量储存在变压器中，具有较高的可靠性。
? 该电池均衡器具有快速平衡速度和高效率。
从一个电池到另一个电池，有源均衡器可以将大量电流推到另一个电池。
主动平衡的优点：
? 当一个系列有不同的电池容量时，它会提高容量利用率。
? 它通过将多余的能量转移到能量较低的电池中，而不是燃烧电池中的多余能量，提高了能量效率。
? 它延长了电池的预期寿命。
? 快速均衡。
主动平衡的缺点：
? 当能量从一个电池转移到另一个电池时，大约会损失10-20%的能量。
? 电荷只能从高电池转移到低电池。
? 虽然有源电池平衡器具有较高的能效，但由于每个电池都应与额外的电力电子接口连接，其控制算法可能非常复杂和昂贵。
被动均衡
能耗平衡通常被定义为被动平衡。被动平衡利用电阻消耗高电压或高电荷电池的能量，以减少不同电池之间的差距。这是一种能耗平衡。如果电池串联在一起，有些电池的能量高于其他能量较低的电池，顶部电池的燃烧能量可以通过连接电阻来平衡，从而释放热量来平衡电池组的能量。
被动平衡使所有电池看起来容量相同。无源电池平衡有两种不同类型的方法：固定分流电阻和开关分流电阻。
固定分流电阻电路通常连接到固定分流器，以防止过度充电。在电阻器的帮助下，无源平衡电路可以在不损坏电池的情况下控制每个电池电压的极限值。这些电阻器为平衡电池消耗的能量可能会导致BMS热损失。因此，这证明了固定分流电阻是一种低效的电池平衡电路。
开关分流电阻电池平衡电路是目前电池平衡中最常用的方法。该方法具有连续模式和感应模式，所有开关都控制在同一时间打开或关闭。在感应模式下，每个电池都需要一个实时电压传感器。电池平衡电路通过平衡电阻消耗高能量。该电池平衡电路适用于充放电时需要低电流的电池系统。
被动平衡的优点：
? 没有必要主动平衡电池组。
? 电池单元在没有电量的情况下不会有任何损耗，一旦电池充满，只有在有足够的能量时才会平衡。
? 它使所有的电池单元都相同SoC。
? 它提供了一种低成本的电池平衡方法。
? 它可以纠正电池和电池之间自放电电流的长期失配。
被动平衡的缺点：
? 热管理不良。
? 它们在满SoC不平衡。仅在每个单元的顶部保持平衡约95%，因为当电池容量不同时，多余的能量将被迫燃烧。
? 它的能量传输效率通常很低。电能在电阻器中以热量的形式耗散，电路也造成了开关损耗，换句话说，被动均衡电路会导致大量的能量损失。
? 它不会增加电池供电系统的运行时间。
上海空间电源研究所Wangbin Zhao提供的例子
多绕组变压器的主动平衡电路分为功率模块和控制模块。电源模块由电池单元、平衡变压器和开关晶体管组成(MOSFET)组成。同时，模块也可以根据实际需要进行扩展。通过每个电池MOSFET与电池组串联，采用固定比周期信号控制放电电压较高的电池。包括控制模块FPGA控制单元、AD采样单元。每个电池电压信号通过一级低通滤波器进入AD采样。所有电池电压AD处理后发送采样信号FPGA中，利用FPGA实现电池组内部平衡算法的平衡控制。MOSFET开关周期与平衡变压器峰值电流的关系如下：
TS – 切换周期;
TON – MOSFET开启时间；
TOFF – MOSFET关闭时间；
Lpri – 初级磁化电感；
Ipri-peak – 级峰值电流;
Ubat – 单节电池电压;
Lsec – 第二磁化电感;
Isec – peak-次峰电流;
UOFF – 电池组总电压;
均衡变压器的设计关系到均衡电路的工作性能。因此，必须正确设计变压器参数。在电池组充电过程中，一旦主动均衡电路检测到某个电芯的电压过高，就会启动相应的均衡开关为该电芯放电。均衡变压器初级侧的平均放电电流为：
同理，可以得到均衡变压器二次电池的平均充电电流为：
N——串联电池的数量;
k——变压器初级和次级的匝数比;
分析方程(1)到(3)，得出结论，在固定占空比控制方法下，均衡平均电流仅与变压器初级和次级绕组的匝数比、电池数量和电流峰值有关。
电池组所需的均衡电流是多少?
均衡电池是指在某些SoC上，所有电池都完全处于相同的SoC。均衡电池所需的电流取决于电池失衡的原因。它分为2类：总均衡、维护均衡。
总均衡
如果电池组在制造或维修时没有考虑到单个电池的初始SoC，平衡器可能会被期望完成总的平衡工作。在这种情况下，平衡电池组所需的最大时间长度取决于电池组的大小和平衡电流。所需的均衡电流与电池组的大小成正比，与所需的均衡时间成反比：
均衡电流 [A] = 包装尺寸 [Ah] / 总均衡时间 [小时]
对于一个100Ah有空有满的电池组来说，均衡电流为1A的BMS需要将近一周的时间来进行均衡。而一个均衡电流为10 mA BMS无法在其使用寿命内均衡 一个1000 Ah的电池组。或者说，如果希望BMS在合理的时间内均衡一个大容量且极不均衡的电池组，则需要它提供一个相对较高的均衡电流。
维护均衡
如果一个电池组开始时是均衡的，那么保持均衡将变得容易。如果所有电池的自放电泄漏相同，则不需要均衡;电池的SoC缓慢下降完全相同，因此电池组保持均衡。如果电池组中有一个电池单元其自放电泄漏电流为1mA或更多而其他电池单元的泄漏电流相同，则BMS从所有其他电池平均取1mA 或仅对该电池增加1mA，这被认为是平均均衡电流。
在很多应用中，BMS除了不断地漏电放电外，还无法做到无限均衡。因此，均衡电流必须更高，与BMS均衡电池组可用的时间成反比。
例如：
如果BMS可以持续均衡，均衡电流可以是1mA，而如果BMS每天只能均衡1小时，均衡电流应该是24mA，才能达到1mA的平均值。
更重要的是，如果BMS可以运行比所需最小值更多的均衡电流，则BMS可以：
• 保持均衡始终开启，但降低其值以匹配电池自放电泄漏增量。
• 通过占空比打开和关闭均衡，平均而言，电流与电池的漏电流增量相匹配。
所需的均衡电流与泄漏电流的差和可用于均衡的时间百分比成正比：
均衡电流 [A] = (最大漏电流 [A] – 最小漏电流 [A]) / (每日均衡时间 [小时] / 24 [小时])
均衡电流是均衡器对满电量电池进行分流时的电流量，以求可同时继续允许相同的电流流入非满电池。正确的量取决于想要多快结束均衡。
结论
均衡补偿单个电池的SoC，而不是容量不均衡。电池组均衡的好处是，如果电池组在工厂均衡，BMS只需要处理均衡电流。这对于构建已经均衡的电池组更有意义，无需使用可以执行总均衡的BMS。
为了最大限度地减少电池电压漂移的影响，必须适当调节不均衡。任何均衡方案的目标都是让电池组以预期的性能水平运行并延长其有用容量。对于希望最小化成本并纠正电池之间自放电电流的长期失配的客户，被动均衡是最佳选择。