能量耗散型均衡将多余的电荷作为热量消耗掉，而能量非耗散型均衡则将这些电荷转移到其他电芯。 在电池组管理中，基于电阻的被动均衡更简单且成本更低，但会浪费能量并产生热负荷。主动均衡利用电感、电容或变压器来重新分配能量，在提高利用率并降低热量的同时，代价是电路和控制的复杂性增加。
核心区别在于不平衡能量是被丢弃还是被回收。 被动均衡通常适用于对成本敏感且均衡需求适中的电池组，而主动均衡更适合高容量、管理严格或有热约束的系统。
两种均衡方法的工作原理
能量耗散型均衡
能量耗散型（或称被动）电路在电压较高的电芯两端连接一个电阻。该电路从该电芯中释放电流，直到其电压或估计的荷电状态（SOC）接近其他电芯的目标值。
多余的电能直接转化为热量。该电路通常由均衡电阻、开关器件、电压监测硬件和控制逻辑组成。
能量非耗散型均衡
能量非耗散型（或称主动）电路将能量从电压较高或SOC较高的电芯移动到电压较低或SOC较低的电芯。它可以使用开关电容、电感、变压器或这些组件的组合。
由于能量是被转移而不是被丢弃，主动均衡可以减少热量产生，并使电池组中更多的存储能量可供使用。
这对电池组管理意味着什么
均衡效率
被动均衡在均衡过程中的能量效率天生较低，因为均衡能量被有意地在电阻中损耗掉了。
主动均衡可以实现更好的能量利用，因为从一个电芯中移出的能量有助于为另一个电芯充电。实际效率取决于开关损耗、磁性元件损耗、导通损耗和控制策略。
热行为
被动电路会在均衡电阻和开关组件附近产生局部热量。电池管理系统必须确保这种热量不会产生不可接受的温度梯度或干扰电芯的安全限制。
主动电路产生的均衡相关热量较少，尽管它们并非无损耗。它们的电力电子器件、电感、电容和变压器仍然会产生需要考虑的开关和导通损耗。
电池组容量利用率
电池组通常受串联链路中最弱或充电程度最高的电芯限制。被动均衡可以降低高电压电芯的电压，但它是通过浪费能量来实现的。
主动均衡可以将电荷重新分配到SOC较低的电芯，从而可能提高电池组的可用容量并减少均衡过程中损失的能量。
电路复杂性和成本
被动均衡使用相对简单的硬件和控制逻辑。这通常使其更容易设计、验证、制造和维护。
主动均衡需要额外的开关、储能组件、传感、驱动电路和控制算法。其结果是一个更复杂且通常更昂贵的BMS，特别是在必须跨越许多电芯进行均衡时。
应对电芯不匹配
当不平衡程度适中且均衡可以在足够长的时间内（例如在充电结束附近）完成时，被动均衡是有效的。
主动均衡更适合较大的不平衡或对均衡速度和能量回收有要求的系统。它可以在更多样化的运行条件下转移能量，但需受设计安全和控制限制的约束。
这种差异如何影响电池测试系统
测试被动均衡
评估被动均衡的测试系统不仅应测量最终电芯电压。重要的观察指标包括：
- 流经每个电阻的均衡电流
- 电阻和局部组件的温度
- 均衡过程中消耗的能量
- 减少电芯间电压或SOC差异所需的时间
- 均衡对电池组温度分布的影响
这些测量结果表明电阻网络是否在不产生过度热应力的情况下实现了可接受的均衡。
测试主动均衡
主动均衡测试应同时测量能量转移和能量损耗。相关参数包括：
- 从高SOC电芯中移出的能量
- 输送到低SOC电芯的能量
- 转换效率
- 转移电流和均衡时间
- 开关瞬态和电磁效应
- 开关、电感、电容和变压器的温升
测试设置还必须验证控制系统不会使接收电芯过充或产生不稳定的电流路径。
动态充放电测试
均衡性能应在真实的充电、放电和静置周期中进行测试，而不是仅在静态电压条件下进行。电芯电压、SOC、电流、温度和内阻在运行过程中可能会发生显著变化。
电池测试系统提供了评估这些影响所需的经验数据。测得的容量、开路电压行为和内阻也可以支持更高级的分析模型，并有助于验证详细的电路模拟。
基于模型的评估
分析模型使用系统级变量（如电芯SOC、容量和电压）来表示均衡行为。它们对于快速控制开发和实时BMS实现非常有用。
电路级模拟能更准确地捕捉开关行为、组件瞬态和详细损耗，但它们需要更多的计算，通常不太适合直接进行实时嵌入式执行。一个稳健的开发过程会使用来自测试系统的测量结果来验证这两种模型。
理解权衡因素
被动均衡并非自动不合格
当电池组均衡需求有限、成本是主要制约因素且热管理简单时，被动均衡仍然是一个务实的选择。
当电芯之间存在较大的容量差异、均衡频繁发生或电池组存储大量能量时，其较低的效率影响会变得更加显著。
主动均衡并非无损耗
主动均衡避免了有意耗散大部分不平衡能量，但它仍然存在电气损耗。选择不当的开关、低效的磁性元件、过高的开关频率或薄弱的控制设计都会降低其预期收益。
因此，正确的比较是总系统效率和热行为，而不是假设主动均衡消除了热量。
电压不等于SOC
仅基于电芯电压进行均衡可能会产生误导，特别是在负载下或充电过程中。电压受电流、温度、老化和电芯电化学特性的影响。
测试和控制策略应尽可能将电压与SOC估计值、电流、温度和电芯特定的行为结合起来解读。
更复杂的硬件会产生更多的故障模式
主动系统引入了额外的组件和控制依赖性。这些可能会增加设计、验证、诊断、电磁兼容性和维护要求。
在能量和热惩罚仍然可以接受的应用中，更简单的被动电路可能提供更高的整体可靠性。
为您的目标做出正确的选择
最佳方案取决于电池组的能量水平、允许的热量、均衡频率、所需的响应时间和成本目标。
- 如果您的主要重点是低成本和实现简单： 当预期的电芯不匹配适中且电池组可以安全管理产生的热量时，选择被动均衡。
- 如果您的主要重点是能量利用和热稳定性： 当回收不平衡能量和限制热负荷的收益超过增加的复杂性时，选择主动均衡。
- 如果您的主要重点是BMS验证： 在真实的循环条件下测试均衡电流、时间、能量损耗或转移效率、温升以及电芯级SOC收敛情况。
- 如果您的主要重点是电池模型开发： 使用测试系统测量值来提供电芯参数，并验证实时分析模型和详细的电路模拟。
在耗散型和非耗散型均衡之间进行选择，最终是一个平衡效率、热行为、复杂性、成本和电芯不平衡严重程度的系统级决策。
总结表：
| 方面 | 能量耗散型（被动） | 能量非耗散型（主动） |
|---|---|---|
| 原理 | 将多余电荷作为热量消耗 | 将电荷转移到其他电芯 |
| 效率 | 低（能量以热量形式损失） | 高（能量被回收） |
| 热影响 | 电阻附近局部发热 | 发热较少，但存在组件损耗 |
| 容量利用率 | 降低容量（能量浪费） | 提高可用容量 |
| 复杂性与成本 | 简单、廉价 | 复杂、成本较高 |
| 不平衡处理 | 适度不平衡，速度慢 | 较大不平衡，速度快 |
| 测试重点 | 电阻温度、能量损失 | 转移效率、瞬态 |
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