电池单体均衡主要采用被动耗散或主动电荷转移方式。 被动均衡器将高荷电状态（SOC）单体中的多余能量以热量形式移除，而主动均衡器则通过开关、电感、电容或基于转换器的电路，将电荷从高SOC单体转移到低SOC单体。实验室电池测试系统通过在受控工作条件下测量单体电压、电流、SOC、温度和能量行为，从而优化这些设计。
合适的均衡机制取决于应用场景的优先级。 被动均衡更简单、成本更低但会浪费能量；而主动均衡效率更高，但增加了电路、控制和验证的复杂性。实验室测试揭示了每种设计在平衡时间、能量损耗、温升和单体保护等可衡量指标下的表现。
为什么需要单体均衡
串联单体无法保持一致
串联连接的单体承受相同的电池组电流，但它们的容量、内阻、SOC和老化状态可能存在差异。这些差异会导致单体电压在充放电过程中出现偏差。
最弱的单体限制了整个电池组
在充电过程中，高电压单体可能会在电池组其余部分充满之前达到其安全上限。在放电过程中，容量较低或内阻较高的单体可能会先达到其下限。
因此，电池管理系统（BMS）可能需要提前停止充电或放电，从而降低电池组的可用容量并加速老化。
不平衡会带来安全和寿命风险
如果没有有效的均衡，即使电池组总电压看起来正常，单个单体也可能发生过充或过放。均衡有助于将单体工作条件保持在安全范围内，并减少因单体间差异导致的性能瓶颈。
电池单体均衡的主要机制
被动均衡：耗散多余能量
被动均衡的工作原理
被动均衡器在SOC或电压相对较高的单体两端连接一个电阻和开关元件。该电路从该单体中抽取电流，并将多余的存储能量转化为热量。
此过程持续进行，直到电压或SOC差异降至选定的均衡阈值内。
为什么被动均衡被广泛使用
被动系统相对简单、廉价且易于集成到BMS中。它们通常需要的组件更少，控制逻辑也更直接。
当均衡电流较小、效率不是主要限制因素，或者电池组有充足的充电或静置时间时，它们特别实用。
实验室测试必须测量的指标
测试系统可以监测：
- 单个单体电压的趋同性
- 均衡器电流和持续时间
- 均衡电阻附近的温升
- 从每个单体中移除的能量
- 静置和充电过程中的均衡性能
对于断开的并联单体组，内部均衡过程中电荷是守恒的，但由于电流流经内阻和均衡电阻，存储的能量会减少。由此产生的能量损耗表现为热量，因此热测量非常重要。
主动均衡：转移电荷
主动均衡的工作原理
主动均衡器将能量从高SOC单体转移到低SOC单体，而不是简单地将其耗散掉。电力电子电路利用电感、电容、变压器或双向转换器等结构来控制这种转移。
根据架构的不同，能量可以在相邻单体之间、多个单体之间或单体与整个电池组之间移动。
为什么主动均衡可以提高效率
由于有用的电荷被转移而不是丢弃，主动均衡可以减少能量损耗和热应力。它还可以支持更大的均衡电流，从而更快地纠正严重的单体不匹配。
这在大容量电池组、充电时间有限的系统或最大化可用能量至关重要的应用中非常有价值。
为什么主动均衡更难实现
主动均衡器需要额外的开关、磁性或电容组件、传感、控制逻辑以及电磁兼容性考虑。其效率取决于工作条件和电路设计。
因此，实验室验证不仅要检查均衡速度，还要检查转换损耗、开关行为、温度、控制稳定性以及与电池单体的相互作用。
实验室测试系统如何优化均衡器设计
它们能够复现受控的电池条件
跨越真实工作曲线的测试
电池测试系统可以施加受控的恒流、恒功率和动态充放电曲线。测试可以在不同的C倍率、SOC窗口和热环境下重复进行。
这使研究人员能够确定均衡器在慢充、大功率运行、静置期间和温度变化条件下是否表现一致。
测试单个单体和完整模块
多通道系统可以独立控制和测量每个单体或通道。研究人员可以有意引入容量、内阻或初始SOC的差异，以复现真实电池组中预期的不平衡。
测试可以从单个单体开始，逐步扩展到模块或代表电池组的组件，从而减少在设计初期构建大量完整物理电池组的需求。
它们提供均衡器控制所需的测量数据
单体电压和电流
高分辨率电压测量显示单体何时出现偏差，以及在均衡开始后趋同的速度。电流测量揭示了均衡器是否输出了预期的转移或耗散电流。
这些测量还有助于识别线路电阻、传感器误差、开关损耗和意外的电流路径。
SOC和容量行为
仅凭电压并不是衡量SOC的完美指标，特别是在负载下或单体具有不同内阻时。实验室循环测试提供了估计容量、开路电压关系和SOC变化所需的数据。
这些测量帮助工程师区分真正的SOC不平衡与由电流、电阻或弛豫效应引起的暂时电压差异。
温度和热影响
温度传感器或受控热箱可以揭示被动电阻、单体电阻和主动电力电子设备产生的热量。这对于确定所提出的均衡器是否能在可用的热预算内安全运行至关重要。
一种平衡速度快但产生过度局部热量的设计，可能不适合实际的电池组。
它们量化了关键的设计指标
均衡速度
测试确定了均衡器减少指定电压或SOC差异所需的时间。结果应在多种初始不平衡条件下进行评估，而不是仅通过单一的实验室演示。
能量效率
对于被动设计，研究人员可以计算以热量形式耗散的能量。对于主动设计，他们可以比较从源单体移除的能量与输送到目标单体的能量。
这揭示了在计入开关、导通、磁性和线路损耗后，电荷转移的真正收益。
均衡精度和稳定性
测试系统可以确定单体是否在没有过度振荡或重复开关的情况下收敛到所需的电压或SOC范围。它还可以暴露由传感器分辨率、阈值选择或不准确的SOC估计引起的误差。
单体和电池组性能
均衡器测试应包括随后的充放电循环。目标不仅仅是暂时减少电压差异，而是确定均衡是否提高了可用容量、减轻了弱单体的压力并支持了更长期的稳定性。
它们支持电池模型开发
提取电气参数
受控测试为估计以下参数提供了数据：
- 欧姆内阻
- 电荷转移电阻
- 动态电容
- 总单体容量
- 作为SOC函数的开路电压
这些参数通常用于等效电路电池模型中。
验证均衡器仿真
模型可以预测在建议的均衡策略下的单体电压、电流、SOC和热行为。实验室数据随后显示这些预测是否与实际单体响应相符。
这缩短了设计周期，使工程师能够在投入完整电池组构建之前完善均衡器额定值和控制算法。
改进BMS算法
测得的单体间差异有助于调整均衡阈值、时序、电流限制和SOC估计方法。它还支持验证分布式BMS设计，即均衡电子设备集成在单个单体或单体组单元附近。
理解权衡
被动均衡以效率换取简单性
被动系统会浪费多余的能量并产生热量。它们的均衡电流也受到电阻额定功率和热限制的约束。
主动均衡以复杂性换取能量回收
主动系统可以减少能量损耗并支持更快的均衡，但其额外的硬件产生了更多的潜在故障模式。转换器效率、开关噪声、组件成本和控制验证都成为了设计问题的一部分。
主动均衡并不总是更好；只有当能量效率、均衡速度或电池组规模证明了增加复杂性的合理性时，其优势才显得重要。
电压均衡并不总是等同于SOC均衡
具有不同化学成分、温度、电阻或老化状态的单体在保持不同电荷量时可能显示出相似的电压。相反，SOC相似的单体在负载下可能显示出不同的端电压。
因此，均衡器优化应结合电压、电流、温度、容量和基于模型的SOC信息。
仅测试理想单体可能会产生误导
在匹配的新单体上表现良好的设计，在单体具有不相等的容量或电阻时可能会表现不同。实验室计划应包括受控的不匹配和多变的工作条件，以反映真实的电池组行为。
为您的目标做出正确的选择
实验室测试应将均衡机制与实际性能目标联系起来。
- 如果您的主要关注点是低成本和简单实现： 评估被动均衡，并仔细测量均衡时间、电阻发热和能量耗散。
- 如果您的主要关注点是能量效率或快速均衡： 评估主动均衡的转移效率、可实现电流、热行为和控制稳定性。
- 如果您的主要关注点是最大化可用电池组容量： 测试具有真实容量和电阻差异的单体，然后测量均衡是否减少了由最弱单体带来的限制。
- 如果您的主要关注点是BMS算法开发： 使用同步的单体电压、电流、温度和循环数据来完善SOC估计和均衡阈值。
- 如果您的主要关注点是生产就绪型设计： 在依赖完整电池组结果之前，在各种C倍率、温度、不平衡水平和重复循环下验证均衡器。
最可靠的均衡器是那些其效率、速度、热行为和控制精度已在电池实际经历的条件下得到验证的均衡器。
总结表：
| 机制 | 描述 | 优点 | 缺点 | 测试重点 |
|---|---|---|---|---|
| 被动均衡 | 使用电阻将多余能量以热量形式耗散 | 简单、低成本、易于集成 | 能量损耗、热量产生、电流受限 | 电压趋同、温升、移除的能量 |
| 主动均衡 | 将电荷从高SOC单体转移到低SOC单体 | 高效率、更快的均衡、发热少 | 复杂、成本更高、组件更多 | 转移效率、均衡速度、控制稳定性 |
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