被动电池均衡与主动电池均衡方法有何不同？提升电池管理的效率与速度

被动均衡和主动均衡以根本不同的方式解决相同的不平衡问题：被动方法会移除高电压电芯中的多余电荷，并将其以热量形式耗散；主动方法则会将这些电荷转移至低电压电芯。被动均衡更加简单且成本更低；主动均衡效率更高、速度更快，但需要额外的电力电子器件、控制逻辑和验证工作。

两者的核心权衡在于简单性与能源效率。对于功率较低且不平衡程度适中的系统，被动均衡通常已经足够；而当热限制、均衡速度、可用容量或系统效率较为重要时，主动均衡更具吸引力。

电芯均衡为何重要

串联电芯无法始终保持一致

串联连接的电芯会在荷电状态（SOC）、容量、内阻和自放电特性方面产生差异。温度变化可能进一步加剧这些差异。

由于串联连接的电芯中流过相同的串联电流，最弱或电量最高的电芯可能会在充电和放电过程中成为限制因素。

不平衡会降低电池组性能

如果没有均衡，某个电芯可能会在充电过程中先于其他电芯达到过电压限制。在放电过程中，较弱的电芯可能会最先达到欠电压限制，迫使系统停止运行，即使其他电芯中仍然包含可用能量。

均衡有助于保持更加均匀的电压和SOC分布，从而减少容量损失、性能瓶颈和安全风险。

被动均衡的工作原理

旁路多余能量

被动均衡器使用连接在单个电芯两端的分流电阻或电压控制晶体管。当某个电芯的电压或SOC高于其他电芯时，电路会将部分充电电流旁路，使其绕过该电芯。

多余的电能会直接转换为热量，而不是在电池组的其他位置得到回收。

该方法通常采用顶端均衡

被动均衡通常应用于接近充满电的阶段，即电芯接近满SOC时。对于较低电压的电芯，均衡电路允许其继续充电；而对于较早达到目标电压的电芯，则释放其中的电流。

这种方法易于控制，因为系统主要只需检测电芯电压，并激活相应的分流路径。

其主要优势是简单且成本低

被动均衡通常具有以下特点：

• 元件数量少
• 控制要求简单
• 实现可靠性高
• 初始成本低
• 易于集成到BMS中

这些特点使其适用于均衡电流相对较小且热耗散可控的场景。

主动均衡的工作原理

电荷被重新分配，而不是被消耗

主动均衡会将高SOC或高电压电芯中的能量转移至低SOC电芯。能量传输路径可能采用开关电容、电感、变压器或相关的电力转换电路。

该系统不会将多余能量转换为热量，而是尝试在电池串内部保存并重新利用这些能量。

该方法可适用于更多运行条件

根据电路架构和控制策略，主动均衡可以在电池运行期间重新分配电荷。这有助于在动态充放电循环过程中保持SOC一致性，而不必主要依赖较窄的充电顶部均衡窗口。

具体表现取决于所选的电路拓扑、检测方案和控制算法。

它需要更加复杂的工程设计

主动系统需要额外的电力电子器件和协调控制。BMS必须确定哪些电芯应提供能量、哪些电芯应接收能量，并对能量传输进行调节，以避免产生不必要的电流或电压瞬态。

这会增加设计、软件、验证和测试方面的要求。

两种方法的直接比较

能源效率

被动均衡的能源效率较低，因为多余电荷会通过电阻元件和电芯内阻耗散。

主动均衡的能源效率更高，因为能量会被转移至需要它的电芯。主动均衡仍然存在转换损耗和导通损耗，但可以避免电阻放电所带来的大量有意热耗散。

均衡速度

被动均衡受到允许的分流电流以及电路能够安全移除的热量限制。因此，较大的不平衡可能需要很长时间才能纠正。

如果能量传输电路的规格设计合理，主动均衡可以实现更快的响应，尤其适用于电芯容量较大或运行循环要求较高的系统。

热特性

被动电路会在均衡器和电芯附近产生局部热负荷。BMS和电池组设计人员必须在外壳、PCB、电芯间距和散热策略中考虑这些热量。

主动均衡可以减少有意产生的热量，但开关元件和互连结构仍会产生损耗，因此仍需进行热评估。

成本与复杂度

被动系统通常在初始成本、电路简单性和控制难度方面具有优势。

主动系统需要更多元件、更复杂的控制以及更广泛的验证。其较高的前期成本可能在能源效率、均衡速度或热性能具有更高经济或技术价值时得到合理证明。

适用性

被动均衡通常适用于功率较低、均衡电流较小且不平衡程度有限的应用。

主动均衡更适用于能源浪费成本、均衡延迟、热负荷或可用容量损失较为显著的系统。

这对电池管理系统意味着什么

BMS必须进行电芯级决策

BMS需要准确测量每个电芯的电压，并根据策略测量温度、电流和估算SOC。均衡决策不应仅考虑电压，因为电压会随电流、温度和电芯化学体系发生变化。

因此，测试必须确定均衡算法响应的是真实的SOC差异，还是仅仅由运行条件造成的暂时性电压差异。

分布式架构可以改善实现效果

在分布式BMS拓扑中，均衡电子设备可以与本地电芯监控模块或电芯构建模块集成。这样可以缩短测量设备与均衡硬件之间的距离，并支持快速的电芯级控制。

不过，分布式设计也需要仔细处理协调、通信、隔离和故障处理问题。

均衡会影响安全裕量

均衡不能替代电芯保护。BMS仍然需要针对过电压、欠电压、过温和异常电流条件设置独立限制。

均衡应在这些保护边界内运行；如果传感器、开关、通信链路或均衡元件发生故障，系统必须能够安全失效。

电芯测试系统应如何评估均衡

测试均衡响应，而不仅是最终电压

实验室电池测试系统应测量：

• 单个电芯电压
• 电池组电流和电芯电流
• 相关位置的温度
• 电压随时间的收敛情况
• 均衡的启动和停止点
• 均衡电路消耗或传输的能量
• 充电、放电和静置期间的行为

最终电压差异很重要，但它无法反映系统达到该结果的速度或效率。

使用受控的不平衡曲线

测试应引入已知的电芯SOC、容量、内阻或温度差异。这样，工程师可以确定均衡器能否纠正真实的不平衡情况，而不仅仅是理想化的电压偏差。

动态充放电循环尤其重要，因为静置期间的均衡性能可能不同于负载条件下的性能。

评估热影响

对于被动系统，温度测量至关重要，因为均衡的主要代价是发热。测试应识别局部温升，并确定均衡器是否始终处于元件和电芯允许的限制范围内。

对于主动系统，热测试应重点关注开关器件、电感、变压器、电容器、互连结构以及其他能量传输元件。

进行能量核算

多通道测试系统可以比较高电压电芯移除的能量与低电压电芯接收的能量。

对于被动均衡，预期结果是有意耗散能量。对于主动均衡，关键测量指标是传输效率，其中包括均衡转换器及其控制电路引入的损耗。

测试与BMS算法的交互

均衡行为取决于阈值、计时、SOC估算、温度补偿以及充电或放电状态。因此，测试应评估完整的BMS策略，而不是将均衡器视为独立电路。

当电芯电压趋于一致可能导致均衡停止，但底层SOC差异尚未完全消除时，这一点尤为重要。

理解其中的权衡

被动均衡可能浪费超出预期的能量

电阻并不是唯一的损耗来源。均衡电流流过时，能量还可能通过电芯内阻和互连电阻耗散。

如果均衡频繁进行或持续时间较长，由此产生的热量可能增加散热需求，并降低整体系统效率。

主动均衡并非没有损耗

主动均衡避免了有意的电阻放电，但并不能以完美效率传输能量。开关损耗、导通损耗、磁性损耗、电容损耗和控制开销仍然存在。

因此，正确的比较并不是“零损耗与高损耗”，而是较低的传输损耗与更简单的有意耗散之间的权衡。

仅基于电压的均衡可能会产生误导

较高的电芯电压并不总是意味着成比例的更高SOC。这种关系取决于电流、温度、化学体系、老化程度和电芯所处的工作区域。

在验证均衡性能时，测试系统应结合电压、电流、温度和时间历史进行综合分析。

热均衡是另一种功能

电气电芯均衡会重新分配或移除电荷。热均衡则用于处理电芯之间的温度差异，并可能采用被动或主动散热方式。

这两种功能会相互影响，但不应将其视为可以相互替代的功能。电池组中的电芯可能在电气上已经均衡，但仍存在不可接受的温度梯度；也可能温度相对均匀，却存在明显的SOC不平衡。

更多电路会带来更多故障模式

主动均衡增加了开关、储能元件、传感器、驱动器和控制依赖项。这些元件可以提升性能，但也会扩大故障范围。

实际设计不仅必须评估均衡效率，还要评估开关断路、开关短路、传感器错误、通信故障和控制失效等情况下的行为。

根据目标做出正确选择

合适的方法取决于电池的功率等级、不平衡程度、热限制、运行模式和成本目标。

• 如果您的首要关注点是低成本和实现简单：当均衡电流适中且系统能够安全耗散产生的热量时，应选择被动均衡。
• 如果您的首要关注点是能源效率：应选择主动均衡，将多余电荷在电芯之间传输，而不是有意将其转换为热量。
• 如果您的首要关注点是在动态循环中快速纠正不平衡：应评估主动均衡，因为在规格设计和控制适当的情况下，其电荷传输能力可以提供更快的响应。
• 如果您的首要关注点是热性能：当被动均衡产生的热量超出电池组热预算时，应优先考虑主动均衡，但必须验证转换器损耗和局部元件发热。
• 如果您的首要关注点是BMS或电芯测试开发：应使用多通道测试系统，在受控不平衡和动态循环条件下测量电芯级电压、电流、温度、收敛时间和能量流动。
• 如果您的首要关注点是系统可靠性：应将主动均衡较低的热负荷与其更多的元件数量、更高的控制复杂度和更高的故障管理要求进行比较。

最佳的均衡方法，是其效率、热特性、成本和验证负担能够匹配电池系统实际运行需求的方法。

总结表：

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