【導讀】電池容量不平衡或電池不平衡問題將導致電池工作時間縮短，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，將為操作BMC（電池管理系統）的工程師介紹每種解決方案的利弊。
隨著便攜式設備的廣泛使用，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致爆炸；過放電等原因可導致特性下降；電池容量不平衡或電池不平衡問題會導致電池工作時間縮短。為避免前面兩個缺陷，有必要與鋰離子電池一起使用保護電路。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，將為操作BMC（電池管理系統）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。詳細來講，多個串聯電池組中的電芯不平衡通常是由容量衰退率和內阻或自放電電阻（相當于量產時并聯到電池）的微小失配，以及外部電路配置造成的。即使改進了有關電池制造的技術，容量衰退率和內阻得到了良好控制，微小失配影響也會逐漸地增大，并隨著時間的推移而影響電池性能，如圖1中所示。
圖1：電芯不平衡現象的主要原因
圖2顯示了完全充電和完全放電狀態下的電池組及其電池的示例（三個電池串聯）。在電池和充電器及負載外部之間的線路上放置了保護開關，由保護IC控制。假定其中一個電池的容量在結構中不均衡，并且充電器與電池組連接，如?中所示。由于充電過程完成，容量最低的電池無法得到完全充電，直到總電池電壓等于充電器的輸出電壓或保護IC可能關閉保護開關以防一個或多個電池進入過充狀態。屆時在放電狀態下，電池組的運行時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下無法得到充分利用，如圖2中所示。為避免出現電池不平衡的情況，需要一個電路，稱為“CB 電路”。
圖2：電池組完全充電(a)（頂部）和完全放電（底部）(b)電池電容狀態的典型電路圖
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CB電路的基本概念是大致均衡每個電池的能量。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間的電芯平衡電路。在圖3中所示的類別中，根據功耗觀點，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。
圖3：電芯平衡方法類別
無源電芯平衡
無源CB的基本結構有兩種，一種是使用并聯電池連接的電阻，稱為“固定電阻CB方法”，另一種是使用連接電池的電阻和開關，稱為“電阻開關CB方法”，如圖4中所示。基本操作是使用電壓最高的電池中的電阻來消耗能量，直到電池電壓等于電壓最低的另一個電池。其中，被電阻消耗的電流稱為泄放電流。固定電阻電芯平衡是至今開發的所有CB方法中最簡單的方法，但始終會浪費功耗，因此目前很少用。在電阻開關CB中，放在電阻和電池之間的開關可降低功耗。
圖4：典型無源電芯平衡電路，固定電阻（左）和電阻開關方法（右）
有源電芯平衡
1 電容穿梭電芯平衡
圖5顯示具有單個和多個電容的電容穿梭C B電路（以下稱為電容C B）。電容C B方法基本上由一個或多個電容以及多個用于在電池間交換能量的開關組成。基本操作概念是具有最高或較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，導致重新分配補充能量。
圖5：具有單個電容（左）和多個電容（右）的電容CB
根據B A T1的電壓高于圖6(a)中的其他電壓情況下的操作概念，Q1在T1期間打開，BAT1的能量在T CHG期間存儲到C SHUTTLE中，其中可形成電流波形為i BAL，如圖6(b)所示。在T2期間，Q1關閉而Q2打開。相應地，B A T1的能量傳輸至BAT2，其電流波形為i BAL（在TDSG期間）。在方法中，平均平衡電流依賴于電池和穿梭電容間的壓差和ESR（等效串聯電阻），以及穿梭電容和ESR產生的時間常量T CHG。壓差越低或T1和T2的總時長越長，平均平衡電流就越小。總電芯平衡時間通常比其他有源電芯平衡方法更長。
圖6：具有單個電容的電容C B的運算電路(a)（頂部）和波形(b)（底部）
假定Q1和Q2在T1和T2期間互補打開，則其總時間就相應地為時間常量“E S R-C S H U T T L E”的約10倍。E S R實際存在，則期間的平均平衡電流可簡化為如下：
此方法的優點是高效率且在一些有源C B方法中相對價廉。相反，缺點包括：復雜的開關結構；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，具有單個電容的方法需要2n個開關，而具有多個電容的方法需要4(n-1)個開關，其中，n是電池數量。另一方面，具有單個電容的電容C B無法同時執行，這是因為單個電容與具有多個電容的C B不同，其會導致C B操作時間更長。基于這些特性，具有單個電容的電容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顯示具有單個和多個電感的電感穿梭C B（以下稱為電感穿梭C B）。包括兩個示例的電感方法基本操作類似于電容方法。不同點在于電容C B方法中的一些電容被替換為電感。基本上，電感消耗具有最高或較高電壓的電池能量，并傳送給具有最低或較低電壓的電池。
圖7：具有一個電感（左）或多個電感（右）的電感CB電路
根據波形，平均平衡電流可計算如下，前提是iBAL在T2內足夠為零：
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計為在所有C B操作期間恒定，相比電容C B方法相對較高，以便總平衡時間比電容C B方法更短。缺點是開關結構較復雜，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操作時間的應用。對于較短的C B操作時間，具有多個電感的電感C B方法很適合，因為具有單個電感的方法也無法同時執行，和具有單個電容的電容CB方法一樣。
圖8：具有一個電感或多個電感的電感CB電路的運算電路(a)（頂部）和波形(b)（底部）
單個充電電芯平衡方法
鑒于能量轉換和能量傳輸，開關D C / D C轉換器（如降壓、降壓/升壓、反激、正激轉換器等）通常用作極有效的解決方案。基于開關轉換器概念的有源C B方法稱為“單個充電C B”方法。圖9顯示具有單繞組和多繞組的單個充電C B的示例。在圖9中，為單個充電C B方法使用反激轉換器。轉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電極通過開關的電池。基本操作是轉換器將能量傳送給所有電池中具有低電壓的一個或多個電池。
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，即使平衡時間也可大大縮短。這些C B方法通常應用于相對較貴和較高功率的應用，如UPS（不間斷電源）、E S S（儲能系統）、電動汽車等。
圖9：使用單繞組（左）或多繞組（右）的基于反激轉換器的單個充電CB方法
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用中C B電路的必要性，以及至今開發的一些無源和有源電芯平衡特性。此外，電芯不平衡確實是鋰離子電池的一個重要問題，其與鋰離子電池的運行時間和穩定性密切相關。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LiB和BMS的性能。
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