被动电池均衡通过从高电压电池中释放能量来平衡电池组。 在典型的 BMS 中，每个电池两端都连接有一个电阻和开关装置；当电池电压超过设定的电压或均衡阈值时，BMS 会开启分流器。多余的电流会绕过电池并以热量的形式耗散，而不是转移到电压较低的电池中。
被动均衡成本低、结构简单且可靠，但它以牺牲能量、产生热量和相对较慢的均衡速度为代价来换取电路的简洁。它最适合均衡电流需求适中且电池间差异可控的应用场景。
被动电池均衡的工作原理
分流路径
每个电池都有一个连接在其正负极之间的独立均衡器。该均衡器通常由一个受 MOSFET 或其他电压控制开关装置控制的泄放电阻组成。
当电路开启时，它会在电池周围形成一条并联电流路径。在充电过程中，部分充电电流会流经分流器，而不是继续流入电压较高的电池。
基于电压的控制
BMS 会测量每个电池的电压，并将其与均衡阈值或串联字符串中其他电池的电压进行比较。如果某个电池的电压明显高于其他电池，其分流器就会被激活。
控制器通常使用开关阈值、迟滞、定时器或温度限制来防止在目标电压附近出现频繁的开关切换和不必要的均衡。
能量耗散
对于电阻式分流器，近似的均衡电流和发热量计算如下：
[ I_{\text{bal}} \approx \frac{V_{\text{cell}}}{R_{\text{shunt}}} ]
[ P_{\text{heat}} \approx \frac{V_{\text{cell}}^2}{R_{\text{shunt}}} ]
精确值取决于电池电压、电阻值、开关装置和工作占空比。较低的电阻会增加均衡电流，但也会增加热量和组件压力。
为什么需要电池均衡
串联电池无法保持完全一致
串联连接的电池虽然流经相同的电流，但它们的容量、内阻、荷电状态（SOC）、老化程度或自放电率并不一定相同。
随着这些差异的累积，在充电过程中，一个电池可能会先于其他电池达到电压上限；在放电过程中，另一个电池可能会先达到电压下限。
最弱的电池限制了整个电池组
通常情况下，当任何一个电池达到其允许的最高电压时，BMS 必须停止充电；当任何一个电池达到其允许的最低电压时，必须停止放电。因此，不匹配的电池会限制整个电池组的可用容量。
被动均衡通过从过早接近电压上限的电池中移除电荷来减少这种不匹配。它无法恢复损失的电池容量或修复缺陷电池，但可以管理性能正常的电池之间适度的差异。
电压只是 SOC 的间接指标
被动均衡通常由电池电压控制，但电压并不总是直接对应于荷电状态。温度、充电电流、内阻、弛豫行为和电池化学性质都会影响测量电压。
因此，仅凭电压阈值可能无法准确识别哪个电池存储的能量最多。BMS 应将电压测量与适当的电流、温度、定时和保护逻辑相结合。
被动均衡在 BMS 中的应用位置
在充电末端进行均衡
被动均衡通常在充电过程中或接近高 SOC 区域时进行。此时，微小的电压差异可能表明某个电池正在接近其允许的最高电压。
BMS 可以降低该电池的电压上升速率，同时让其他电池继续充电。只要均衡电流充足且充电过程持续足够长的时间，这就能让电压较低的电池赶上来。
分布式实现
在分布式 BMS 中，均衡组件可以放置在靠近其关联电池或电池模块的位置。这可以简化局部电压测量并降低布线复杂性。
整体设计仍需要协调控制、温度监控、故障检测以及与电池组电压和安全要求相适应的隔离措施。
均衡电流的选择
所需的均衡电流取决于预期的电池不匹配程度、充电电流、期望的均衡时间和可用的热容量。小型分流器成本较低，但可能需要很长时间才能纠正明显的失衡。
大电流分流器可以缩短均衡时间，但会增加电阻尺寸、开关损耗、温升以及对热设计的需求。
被动均衡的主要局限性
它会损耗多余的能量
被动均衡不会将能量从高 SOC 电池转移到低 SOC 电池，而是通过分流电阻和开关组件将多余的电能转化为热量。
这降低了均衡效率，并浪费了本可以留在电池中或转移到另一个电池中的能量。
它会产生局部热负荷
热量集中在均衡组件和附近电池周围。如果多个通道同时工作，即使电池组的平均功率相对较低，产生的热负荷也可能非常显著。
因此，设计需要适当的电阻额定值、PCB 铜箔厚度、间距、温度传感、外壳考量和散热路径。一个电气上合格的均衡电路在热设计上可能并不适用。
均衡速度相对较慢
被动均衡电流通常远小于正常的充放电电流。因此，纠正严重的失衡可能需要延长的充电时间或反复的均衡循环。
如果充电器在第一个电池达到电压限制时立即终止充电，BMS 可能没有足够的时间来均衡其余电池。在这种情况下，均衡策略和充电器终止逻辑必须协同设计。
它无法回收能量
一旦能量在电阻中耗散，它就无法再用于为其他电池充电。这是它与主动均衡的根本区别，主动均衡可以使用开关电容、电感或变压器将能量从高电荷电池转移到低电荷电池。
主动系统可以提高均衡效率和响应时间，但需要更复杂的功率转换、控制、传感和故障管理。
纠正严重不匹配的能力有限
被动均衡旨在管理电池之间相对较小的差异。对于容量明显较低、自放电异常、漏电严重或内阻显著较高的电池，它不是有效的补救措施。
对于持续失衡的电池，应通过测试进行调查，并在适当的情况下将其移除或更换，而不是持续使用较大的泄放电流进行补偿。
理解权衡因素
简洁性与效率
支持被动均衡的最强有力论据是其简单的架构。电阻、开关装置、电压测量通道和控制算法可以以低成本提供实用的均衡功能。
这种简洁性的代价是系统通过消耗能量而不是重新分配能量来管理失衡。
低成本与热设计
与主动均衡电路相比，被动电路通常具有更低的组件和控制复杂性。然而，成本优势必须包含热解决方案、外壳限制、温度监控以及运行效率的降低。
对于低功率电池组，热量可能很容易管理。对于大容量或高性能电池组，热惩罚可能成为主要的设计约束。
电压校正与真实的能量平衡
电池的端电压可以通过泄放电流降低，但这并不一定意味着电池具有相同的 SOC 或存储能量。即使在电压看起来接近后，容量和电阻的差异可能依然存在。
因此，均衡效果应在真实的充放电曲线下进行评估，而不仅仅是观察电池电压在静置或充电结束时是否趋于一致。
常见的设计错误
以下几个错误可能会破坏被动均衡设计：
- 选择均衡电阻时未计算连续功率耗散。
- 忽略多个通道同时工作产生的累积热量。
- 假设电压相等就证明 SOC 或容量相等。
- 利用均衡来掩盖损坏或严重不匹配的电池。
- 在充电终止前提供的均衡时间不足。
- 缺少热切断、电流限制、开路检测或开关装置故障处理机制。
为您的目标做出正确的选择
当设计优先考虑可预测的运行、低成本和适度的均衡需求时，被动均衡是最合适的选择。
- 如果您的主要关注点是低成本和设计简洁： 使用带有精心选择的阈值、额定功率、热限制和故障检测的开关分流电阻。
- 如果您的主要关注点是高均衡效率： 考虑主动均衡，因为它转移能量而不是耗散能量，但需要接受更高的电路和控制复杂性。
- 如果您的主要关注点是大容量或高性能电池组： 在批准被动设计之前，请量化均衡发热、多通道同时工作和均衡时间。
- 如果您的主要关注点是可靠性： 使用电池分级、容量匹配、电阻匹配、温度监控和诊断测试，以便被动均衡仅用于管理正常差异，而不是掩盖隐藏的电池故障。
- 如果您的主要关注点是准确的 BMS 验证： 在动态充放电、温度和电池不匹配条件下测试均衡，而不是仅依赖静态电压测量。
设计良好的被动均衡器是一种实用的不匹配管理工具，但它应被视为一种受控的热负荷，而不是能量回收系统。
总结表：
| 方面 | 描述 |
|---|---|
| 工作原理 | 通过电阻从高电压电池中泄放多余能量，并以热量形式耗散。 |
| 优点 | 成本低、设计简单、对于适度的均衡需求非常可靠。 |
| 局限性 | 能量损失、产生热量、均衡速度慢、无法纠正严重的不匹配。 |
| 最适合场景 | 低功率电池组、对成本敏感且差异可控的应用。 |
| 替代方案 | 主动均衡通过转移能量实现更高效率，但增加了复杂性。 |
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