【导读】电池容量不平衡或电池不平衡问题将导致电池工作时间缩短，在本文中，将简要介绍造成电池不平衡问题的因素，以及制定哪种解决方案来解决这些问题。同时，将为操作BMC（电池管理系统）的工程师介绍每种解决方案的利弊。
随着便携式设备的广泛使用，各种类型的紧凑和轻型电池，如铅酸电池、镍氢电池和LiB（锂离子电池）被开发出来。其中，锂离子电池比其他电池具有相对较高的额定电压(3.4～4.2V)和出色的能量密度。然而，锂离子电池也有一些缺陷；由于过充、过温和外界影响可导致爆炸；过放电等原因可导致特性下降；电池容量不平衡或电池不平衡问题会导致电池工作时间缩短。为避免前面两个缺陷，有必要与锂离子电池一起使用保护电路。此外，还需要CB（电芯平衡）电路以解决电池不平衡问题。
在本文中，将简要介绍造成电池不平衡问题的因素，以及制定哪种解决方案来解决这些问题。同时，将为操作BMC（电池管理系统）的工程师介绍每种解决方案的利弊。
电芯不平衡问题和解决方法
电芯不平衡是指每个电池的容量变得不同。这通常是由电池的物理和电气特性公差造成的。详细来讲，多个串联电池组中的电芯不平衡通常是由容量衰退率和内阻或自放电电阻（相当于量产时并联到电池）的微小失配，以及外部电路配置造成的。即使改进了有关电池制造的技术，容量衰退率和内阻得到了良好控制，微小失配影响也会逐渐地增大，并随着时间的推移而影响电池性能，如图1中所示。
图1：电芯不平衡现象的主要原因
图2显示了完全充电和完全放电状态下的电池组及其电池的示例（三个电池串联）。在电池和充电器及负载外部之间的线路上放置了保护开关，由保护IC控制。假定其中一个电池的容量在结构中不均衡，并且充电器与电池组连接，如?中所示。由于充电过程完成，容量最低的电池无法得到完全充电，直到总电池电压等于充电器的输出电压或保护IC可能关闭保护开关以防一个或多个电池进入过充状态。届时在放电状态下，电池组的运行时间受到容量最低的电池的限制。换言之，电池在电芯不平衡状态下无法得到充分利用，如图2中所示。为避免出现电池不平衡的情况，需要一个电路，称为“CB 电路”。
图2：电池组完全充电(a)（顶部）和完全放电（底部）(b)电池电容状态的典型电路图
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CB电路的基本概念是大致均衡每个电池的能量。为避免电池间的不平衡，研究了多种具有低成本和更少平衡时间的电芯平衡电路。在图3中所示的类别中，根据功耗观点，将电芯平衡划分为两种类型，即无源和有源电芯平衡。无源电芯平衡方法是通过消耗电池能量，使所有电池电压相等。相反，有源电芯平衡方法是采用电容或电感组件在低功耗电池间重新分配能量。
图3：电芯平衡方法类别
无源电芯平衡
无源CB的基本结构有两种，一种是使用并联电池连接的电阻，称为“固定电阻CB方法”，另一种是使用连接电池的电阻和开关，称为“电阻开关CB方法”，如图4中所示。基本操作是使用电压最高的电池中的电阻来消耗能量，直到电池电压等于电压最低的另一个电池。其中，被电阻消耗的电流称为泄放电流。固定电阻电芯平衡是至今开发的所有CB方法中最简单的方法，但始终会浪费功耗，因此目前很少用。在电阻开关CB中，放在电阻和电池之间的开关可降低功耗。
图4：典型无源电芯平衡电路，固定电阻（左）和电阻开关方法（右）
有源电芯平衡
1 电容穿梭电芯平衡
图5显示具有单个和多个电容的电容穿梭C B电路（以下称为电容C B）。电容C B方法基本上由一个或多个电容以及多个用于在电池间交换能量的开关组成。基本操作概念是具有最高或较高电压的电池的能量传输至穿梭电容，然后穿梭电容的能量再次传输至具有最低或较低电压的电池，导致重新分配补充能量。
图5：具有单个电容（左）和多个电容（右）的电容CB
根据B A T1的电压高于图6(a)中的其他电压情况下的操作概念，Q1在T1期间打开，BAT1的能量在T CHG期间存储到C SHUTTLE中，其中可形成电流波形为i BAL，如图6(b)所示。在T2期间，Q1关闭而Q2打开。相应地，B A T1的能量传输至BAT2，其电流波形为i BAL（在TDSG期间）。在方法中，平均平衡电流依赖于电池和穿梭电容间的压差和ESR（等效串联电阻），以及穿梭电容和ESR产生的时间常量T CHG。压差越低或T1和T2的总时长越长，平均平衡电流就越小。总电芯平衡时间通常比其他有源电芯平衡方法更长。
图6：具有单个电容的电容C B的运算电路(a)（顶部）和波形(b)（底部）
假定Q1和Q2在T1和T2期间互补打开，则其总时间就相应地为时间常量“E S R-C S H U T T L E”的约10倍。E S R实际存在，则期间的平均平衡电流可简化为如下：
此方法的优点是高效率且在一些有源C B方法中相对价廉。相反，缺点包括：复杂的开关结构；流入穿梭电容的涌入电流；以及，相比其他有源C B方法相对较小的平衡电流。与两种电容C B方法比较，具有单个电容的方法需要2n个开关，而具有多个电容的方法需要4(n-1)个开关，其中，n是电池数量。另一方面，具有单个电容的电容C B无法同时执行，这是因为单个电容与具有多个电容的C B不同，其会导致C B操作时间更长。基于这些特性，具有单个电容的电容C B方法适合一些具有少量和低容量电池的应用，如便携式工具、无线真空吸尘器等。
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2 电感穿梭方法
图7显示具有单个和多个电感的电感穿梭C B（以下称为电感穿梭C B）。包括两个示例的电感方法基本操作类似于电容方法。不同点在于电容C B方法中的一些电容被替换为电感。基本上，电感消耗具有最高或较高电压的电池能量，并传送给具有最低或较低电压的电池。
图7：具有一个电感（左）或多个电感（右）的电感CB电路
根据波形，平均平衡电流可计算如下，前提是iBAL在T2内足够为零：
与无源方法相比，这些方法的效率也很高，类似于电容C B方法。相反，没有涌入电流，并且平均平衡电流可设计为在所有C B操作期间恒定，相比电容C B方法相对较高，以便总平衡时间比电容C B方法更短。缺点是开关结构较复杂，并且成本比电容C B方法相对更高。这些方法适用于一些需要较短C B操作时间的应用。对于较短的C B操作时间，具有多个电感的电感C B方法很适合，因为具有单个电感的方法也无法同时执行，和具有单个电容的电容CB方法一样。
图8：具有一个电感或多个电感的电感CB电路的运算电路(a)（顶部）和波形(b)（底部）
单个充电电芯平衡方法
鉴于能量转换和能量传输，开关D C / D C转换器（如降压、降压/升压、反激、正激转换器等）通常用作极有效的解决方案。基于开关转换器概念的有源C B方法称为“单个充电C B”方法。图9显示具有单绕组和多绕组的单个充电C B的示例。在图9中，为单个充电C B方法使用反激转换器。转换器的输入端连接到最高和最低电池的电极，而输出端连接到每个电极通过开关的电池。基本操作是转换器将能量传送给所有电池中具有低电压的一个或多个电池。
这些方法的成本是最高的，但效率比其他有源C B方法更好，并且由于电芯平衡电流更大，即使平衡时间也可大大缩短。这些C B方法通常应用于相对较贵和较高功率的应用，如UPS（不间断电源）、E S S（储能系统）、电动汽车等。
图9：使用单绕组（左）或多绕组（右）的基于反激转换器的单个充电CB方法
在本文中，简要介绍了电芯不平衡的根本原因、使用锂离子电池的应用中C B电路的必要性，以及至今开发的一些无源和有源电芯平衡特性。此外，电芯不平衡确实是锂离子电池的一个重要问题，其与锂离子电池的运行时间和稳定性密切相关。采用电芯平衡电路以避免电芯不平衡意味着成本支出，但另一方面，它们非常有助于改进LiB和BMS的性能。
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