被动式电芯均衡是一种低成本方法，通过从电压较高的电芯中释放多余电荷，使串联连接的电芯达到平衡。 每个电芯都连接到一个受电压控制的分流器（例如电阻器或晶体管），该分流器会旁路部分充电电流，并将多余的电能转化为热量。这种方法简单且易于控制，但其能量损耗、热负担和有限的均衡电流使其最适合低功耗系统和受控的测试环境。
被动均衡通过耗散多余能量而不是将其转移到较弱的电芯来提高电压均匀性。它的价值在于简单和低成本；其核心权衡在于效率降低和发热量增加。
被动均衡的工作原理
每个电芯两端连接一个分流器
被动均衡器连接在单个电芯的正负极之间。它通常由一个泄放电阻、一个电压控制晶体管或类似的分流电路组成。
当电芯电压达到均衡阈值以上时，均衡器会引导电流绕过该电芯。因此，该电芯接收到的净充电电流比电压较低的电芯少。
故意对高电压电芯进行放电
被动均衡不会将存储的能量从高荷电状态（SOC）的电芯转移到低荷电状态的电芯。相反，它会从高电压电芯中移除能量，并将这些能量以热量的形式耗散掉。
这使得该方法在概念上类似于为那些领先于串联组中其他电芯的电芯打开一个受控的排水口。
均衡的目标是电压均匀性
控制系统会监控单个电芯的电压，并在电芯超过定义的阈值或电压差时激活分流器。其目标是减少电芯间的电压差异，防止某个电芯在其他电芯之前达到不安全的极限。
电压是一个有用的控制信号，但它并非荷电状态的完美测量指标。开路电压、温度、内阻、电芯老化以及最近的充放电历史都会影响电压与实际存储电荷之间的关系。
为什么均衡在电池系统中很重要
串联组受限于其最弱的电芯
在串联电池组中，相同的运行电流流经每个电芯。然而，电芯在容量、荷电状态、内阻和衰减方面可能存在差异。
均衡减少了电芯层面的不平衡
通过从高电压电芯中移除多余电荷，被动均衡可以使电池组更接近一致的电压状态。这有助于防止单个电芯过早过充，并能提高电池组的可用运行窗口。
均衡不能修复退化的电芯，也不能消除容量差异。它只能管理这些差异所产生的部分不平衡。
测试需要电芯层面的测量
电池测试和BMS验证应独立测量每个电芯，而不是仅依赖总电池组电压。相关的观察指标包括：
- 充放电过程中的单个电芯电压
- 均衡器激活阈值
- 每个通道的均衡电流
- 随时间变化的电压收敛情况
- 分流组件和电芯附近的温度
- 均衡期间耗散的能量
- 均衡前后的电池组容量
多通道测试设备使得在动态循环和静置期间将均衡器行为与电芯间的差异性进行关联成为可能。
主要的操作权衡
简单性与能源效率
被动均衡使用相对简单的控制逻辑和廉价的硬件。它不需要电感器、变压器或开关电容等能量转换组件。
这种简单性的代价是多余的能量被浪费了。主动均衡可以将能量从高电荷电芯转移到低电荷电芯，而主动均衡则主要将多余能量转化为热量。
低成本与均衡速度
被动电路经济且可靠，因为它们包含的组件相对较少。然而，均衡电流通常受到电阻功率额定值、晶体管发热、电芯安全限制以及可用热设计的约束。
因此，较大的荷电状态差异可能需要较长的均衡时间。当均衡发生在长时间的充电或静置间隔期间时，这是可以接受的，但在需要快速修正时则不太适用。
易于控制与信息有限
电压阈值为启用和禁用分流器提供了一个简单的触发器。这降低了软件和控制的复杂性。
然而，仅凭电压无法完全区分真正的电荷不平衡与由温度、动态极化、内阻或电芯老化引起的差异。因此，设计良好的测试装置应结合电流、温度和运行历史来评估电压行为。
更好的均匀性与降低的系统效率
均衡可以防止高电压电芯限制充电过程，并能改善电池组的实际利用率。同时，均衡电流消耗的能量不会贡献于电池的输出。
净效果取决于初始不平衡、均衡持续时间、电芯特性和运行条件。当所需的均衡能量较小时，被动均衡最具吸引力。
理解热成本和能源成本
耗散的能量转化为局部热量
分流电流会在电阻器或晶体管中产生热量。这会产生局部热负荷，必须在电芯布局、外壳和热监控系统中予以考虑。
总电荷与存储能量不同
在均衡期间，电荷可能会在断开的并联电芯块之间重新分配，但由于电流流经内部和互连电阻，总存储能量会减少。
这些电阻会将部分能量以热量形式耗散。这种区别在实验室测试中很重要：仅凭电荷平衡并不能描述均衡过程的能源效率。
可用容量可能受到影响
被动均衡消耗的能量无法用于后续放电。此外，分流器施加的热约束可能会限制均衡操作的激进程度或持续时间。
在电池组层面，均衡仍可能通过防止不平衡电芯过早限制电池组来提高可用容量。因此，正确的评估是经验性的：在相同的测试条件下，比较有无均衡策略下的输出容量和能量。
应避免的常见陷阱
将电压相等视为完全的电芯一致性
电芯在荷电状态、容量或内阻不同时，其端电压可能相似。电压收敛是一个重要的结果，但这并不能证明电芯在电气上是完全相同的。
测试应检查重复充放电循环中的行为，包括静置期间的电压恢复。
在小电流均衡期间忽视热量
即使是适度的均衡电流，在长时间应用时也会产生显著热量。热传感器应放置在能够检测均衡组件和受影响电芯附近温度的位置。
假设被动均衡可以修复故障电芯
具有异常自放电、电阻过大或严重容量损失的电芯可能会反复触发均衡。对该电芯或其邻近电芯进行泄放可能会暂时掩盖症状，同时增加能量损耗和热应力。
重复的均衡活动应被视为诊断信息，而不仅仅是正常的运行条件。
仅测量电池组
电池组电压可能看起来正常，而某个电芯却正在接近过充或过放极限。电芯层面的电压和电流测量对于验证均衡器操作和识别不平衡源是必要的。
比较被动均衡与主动均衡
被动均衡偏向简单性
当设计优先考虑低组件成本、直接控制、紧凑实现和适度的均衡要求时，通常首选被动系统。
它们非常适合那些可以在较长充电窗口内进行均衡且热负荷可控的应用。
主动均衡偏向效率
主动系统使用开关电容、电感器或变压器等组件将能量从高电荷电芯转移到低电荷电芯。这可以提供更快的响应和更高的能源效率，且直接能量耗散较少。
其代价是电路更复杂、控制要求更高、故障模式更多，且初始成本更高。
测试目标决定了正确的比较方式
在实验室BMS测试系统中，被动均衡可能是评估的对象，而不是最终的设计选择。测试装置应在代表性的循环条件下测量均衡有效性、响应时间、能量损耗和热行为。
如何将其应用于您的项目
正确的方法取决于优先级是成本、效率、速度还是测量保真度。
- 如果您的主要重点是低成本和设计简单性： 使用具有明确电压阈值、经过验证的组件额定功率和充足热监控的被动分流均衡。
- 如果您的主要重点是能源效率： 将被动损耗与在电芯之间转移能量而不是耗散能量的主动均衡架构进行比较。
- 如果您的主要重点是高功率或快速循环操作： 将均衡电流、响应时间和局部热量视为主要设计约束，因为被动均衡可能无法足够快地纠正大的不平衡。
- 如果您的主要重点是电池测试和BMS验证： 在循环和静置期间测量单个电芯电压、均衡器电流、温度、收敛时间和能量耗散。
- 如果您的主要重点是诊断电芯退化： 跟踪重复的均衡激活，并将其与容量、电阻、自放电和温度测量相关联，而不是假设电压不平衡是唯一的问题。
当被动均衡的能量和热代价相对于其提供的简单性和成本优势保持在较小范围内时，它是务实的选择。
总结表：
| 方面 | 描述 |
|---|---|
| 工作原理 | 从较高电压的电芯中泄放多余电荷以平衡电压，并将能量以热量形式耗散。 |
| 优点 | 低成本、设计简单、易于控制。 |
| 缺点 | 能量损耗、发热、均衡电流有限。 |
| 最适合 | 低功耗系统、受控测试环境。 |
| 关键权衡 | 简单性和成本与效率及热管理之间的权衡。 |
使用 KINTEK 优化您的电池测试。 我们为电池研发和材料研究提供的综合实验室设备包括精确的电芯制造工具、测试系统等。无论您是在评估被动均衡还是探索先进材料，我们都能提供您所需的可靠性和性能。 立即联系我们讨论您的需求并增强您的研究能力。