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在多节串联电池组中,即使电芯制造工艺高度一致,实际使用中仍不可避免地出现容量、内阻和自放电率的差异。这些差异将直接影响电池组的整体性能与可用容量。因此,在电池管理系统(BMS)设计中,电池平衡技术成为提升系统效率和寿命的重要手段。
以一个典型的Li-ion或LiFePO4电池组为例,为延长寿命,通常限制单体电池的工作范围在10%至90%的SOC之间。当某节电池率先达到过压保护(OVP)阈值时,整个充电过程必须终止,即使其余电池尚未充满;同样,在放电过程中,一旦某节电池电压低于欠压保护(UVP)阈值,系统就必须停止运行,尽管电池组中仍有剩余能量。
这种“短板效应”意味着电池组整体的有效容量由最弱的一节决定。若不进行有效平衡,长期使用后容量衰减将进一步加剧这一问题。
被动平衡是一种通过耗散多余能量来实现均衡的技术。其核心结构是一个由功率MOSFET与电阻组成的分流电路。当某节电池电压超过设定阈值时,MOSFET导通,将多余的电能以热的形式耗散在电阻上。
例如,LTC6811集成了内置MOSFET,支持每节电池独立控制平衡电流,最大可达60mA。对于更高电流需求,也可外接MOSFET扩展能力,并可通过内部定时器配置平衡时间。
优点:
结构简单,易于实现;
成本低,适合小规模应用。
缺点:
能量利用率低,产生热量影响系统稳定性;
平衡速度慢,不适合高功率或快速充放电场景。
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主动平衡则通过DC-DC变换器将多余能量从高SOC电池转移到低SOC电池,从而实现能量的再利用。相比被动方式,它不仅能提高电池组可用容量,还能缓解热管理压力。
以LT8584为例,该器件采用反激式拓扑结构,可在任意两节电池之间进行能量转移。典型应用场景包括:
将能量从高电压电池转移到模块内其他电池;
向整个电池组回馈能量;
或者为辅助电源轨供电。
这种架构不仅解决了因个别电池提前到达UVP而终止放电的问题,还显著提升了电池组的能量利用率和循环寿命。
优点:
高效节能,减少热量积聚;
支持大电流平衡,响应速度快;
可实现跨电池模块的能量调度。
缺点:
硬件复杂度较高;
成本高于被动方案;
需要更复杂的控制算法与隔离设计。
在BMS设计中,工程师应根据系统需求合理选择平衡策略:
被动平衡适用于对成本敏感、功耗较低的小型设备,如便携式储能系统;
主动平衡更适合高能量密度、高功率需求的应用场景,如电动汽车、储能电站等,尤其在追求长续航、高可靠性的场合更具优势。
随着电池管理系统向高精度、智能化方向发展,主动平衡技术正逐步成为高端BMS的标准配置。未来,结合高精度测量IC(如LTC68xx系列)与高效能主动平衡控制器,将成为构建高性能电池系统的主流路径。