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前幾天碰到知乎上有人原文復(fù)制我的文章發(fā)表在自己的主頁(yè)上，一方面開(kāi)心有人認(rèn)可，另一方面也覺(jué)得抄作業(yè)不告訴我有些不爽，于是被迫在圖片上增加水印，雖然對(duì)閱讀體驗(yàn)有一定影響，但是應(yīng)該不大。電池在加工過(guò)程中，由于工藝和材料的先天因素，以及電池在后期使用過(guò)程中每個(gè)電池所處的溫度、濕度等環(huán)境的細(xì)微區(qū)別，不同的電池肯定不可能是完全相同的，電池包內(nèi)部的電池單體在使用過(guò)程中會(huì)逐漸形成一定SOC差異，這個(gè)SOC的差異從直觀上反應(yīng)就是電池的電壓會(huì)逐漸的不同。另外一個(gè)重要的原因是由于電池自身由于極板活性物質(zhì)脫落，上下極板之間的電位差，導(dǎo)致電池不可避免的存在一定的自放電。而且因?yàn)楣に嚨牟煌?，自放電率也不一樣。因此可以得出一個(gè)結(jié)論——電池是有差異的。基于這個(gè)前提我們來(lái)討論電池的均衡。組合在一起的電池就像一個(gè)木桶模型，充放電都受限于最短的那一環(huán)。假設(shè)電池包中某個(gè)電池的SOC高于其他單體，在充電過(guò)程中這節(jié)電池會(huì)率先充滿，導(dǎo)致其他單體還沒(méi)達(dá)到額定容量的時(shí)候就停止充電了；同理假設(shè)某節(jié)電池的SOC低于其他單體，則在放電過(guò)程中會(huì)首先達(dá)到放電的截止電壓，從而導(dǎo)致其他單體還有剩余容量無(wú)法進(jìn)行釋放。 
所以有效的電池均衡不僅能夠提高電池包的有效容量，也能在某種程度上提高電池包的壽命，因此我們必須做均衡。均衡電路在設(shè)計(jì)上有多種實(shí)現(xiàn)方式，從對(duì)能量的消耗程度上分為耗散型均衡和非耗散型均衡，通常情況下也將這兩種均衡方式稱作被動(dòng)均衡和主動(dòng)均衡。從下面這兩個(gè)圖里面很容易解釋什么是被動(dòng)均衡，什么是主動(dòng)均衡。如果幾個(gè)電池的容量不一致，將剩余容量多的電池的電量放掉一些，這樣就能實(shí)現(xiàn)所有電池的電壓一致了，這就是被動(dòng)均衡，我個(gè)人理解就是：“先窮帶垮后窮，最后實(shí)現(xiàn)一起貧困”，這就是被動(dòng)均衡了。
被動(dòng)均衡 如果幾個(gè)電池的剩余容量不一致，將電量較多的電池里面的電充給電量較少的電池里面去，這就是主動(dòng)均衡，主動(dòng)均衡沒(méi)有造成電量的浪費(fèi)，真正實(shí)現(xiàn)了鄧小平總書(shū)記的理想：“先富帶動(dòng)后富，最后實(shí)現(xiàn)共同富裕”。
單純從上面的解釋來(lái)看，主動(dòng)均衡多好啊，不僅實(shí)現(xiàn)了資源的合理分配，而且從早期各家芯片廠商提供的解決方案來(lái)看，主動(dòng)均衡的速度要比被動(dòng)均衡快很多，畢竟充電的時(shí)候沒(méi)有那么多額外的熱損耗，可以將充電電流做的很大，而被動(dòng)均衡則是將所有多出的容量都放掉，也就是通過(guò)電阻轉(zhuǎn)換成熱能，發(fā)熱比較嚴(yán)重也就限制了被動(dòng)均衡的速率。但是鑒于目前新能源汽車(chē)電池的一致性越做越好，電池在長(zhǎng)時(shí)間使用后的散差其實(shí)很小，因此目前所有量產(chǎn)的新能源乘用車(chē)的均衡方式都是被動(dòng)均衡。這種情況的一個(gè)重要原因不僅是因?yàn)殡姵氐囊恢滦院?，還有一點(diǎn)就是：它便宜??！主動(dòng)均衡為什么貴，為什么應(yīng)用少我就不深入解釋了，這方案估計(jì)很長(zhǎng)一段時(shí)間可能都不會(huì)去用它。被動(dòng)均衡原則上就是將電池的電量轉(zhuǎn)換為熱能，也就是通過(guò)電阻放掉，在最早之前的BMS設(shè)計(jì)中，就是通過(guò)一個(gè)芯片控制一個(gè)MOSFET的開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的均衡。就是如下圖這種電路，通過(guò)對(duì)MOSFET的操作來(lái)實(shí)現(xiàn)均衡功能。下圖左側(cè)是一個(gè)電池的最簡(jiǎn)易的模型，R1~R6是電池的內(nèi)阻，因?yàn)閮?nèi)阻的存在，當(dāng)均衡開(kāi)啟的時(shí)候，均衡電流會(huì)在內(nèi)阻上形成一定的壓降，因此如果在進(jìn)行均衡的時(shí)候去測(cè)量電池的電壓，測(cè)量值會(huì)較真實(shí)值偏低。因此在進(jìn)行電壓測(cè)量的時(shí)候，需要在測(cè)量的那一時(shí)刻關(guān)斷均衡功能。這種形式的均衡方式有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是能夠同時(shí)開(kāi)啟所有電池的均衡通道，如果有多個(gè)電池需要放電的時(shí)候，能夠以最快的速度同時(shí)進(jìn)行放電，當(dāng)然這種方式的缺點(diǎn)就是每個(gè)通道都需要配備一個(gè)不便宜的MOSFET，成本會(huì)比較高。外置MOSFET的被動(dòng)均衡
因?yàn)镸OSFET的導(dǎo)通阻抗比較低，在進(jìn)行均衡的時(shí)候MOSFET自身的發(fā)熱很小，主要的發(fā)熱都是電阻產(chǎn)生的。因此在最近兩年的新方案中，芯片廠商將MOSFET集成到芯片內(nèi)部，進(jìn)一步降低了芯片外圍器件的成本，也就是下圖這種方式。但下圖這種方式有一個(gè)缺點(diǎn)，每條線上的均衡電阻都是上下兩個(gè)電池共用的，因此在均衡的時(shí)候，無(wú)法同時(shí)對(duì)相鄰的兩個(gè)電池進(jìn)行均衡，最大能夠同時(shí)均衡的數(shù)量是總數(shù)的一半，因此一般稱之為奇偶對(duì)開(kāi)的均衡方式。這種均衡方式的優(yōu)點(diǎn)就是：便宜！因?yàn)榧稍谛酒瑑?nèi)部的MOSFET，成本肯定是比外置的MOSFET要低很多的。內(nèi)置MOSFET的被動(dòng)均衡 被動(dòng)均衡設(shè)計(jì)中遇到的那些問(wèn)題 在進(jìn)行被動(dòng)均衡的時(shí)候，我們的電池采樣線是與均衡線共用一條導(dǎo)線通道的，因此會(huì)存在一些耦合的情況，我們經(jīng)常遇到的情況有以下幾種： 在剛開(kāi)始做BMS的時(shí)候，那會(huì)懂的東西很少，發(fā)現(xiàn)一旦開(kāi)啟均衡，電壓的采樣誤差就會(huì)變大，后來(lái)才了解到，電池不是理想的電池，而是有一定內(nèi)阻的。因此我們?cè)谠O(shè)計(jì)軟件的時(shí)候，需要將均衡和采樣避開(kāi)。因?yàn)榫褪请姵赜袃?nèi)阻，當(dāng)均衡開(kāi)啟的時(shí)候，均衡電流流經(jīng)電池的內(nèi)阻，會(huì)形成一定的壓降，導(dǎo)致電池的采樣誤差變大。在凌特（現(xiàn)在被ADI收購(gòu)了）早先的芯片里面，有一個(gè)標(biāo)志位，可以在進(jìn)行電壓采樣的時(shí)候關(guān)斷均衡，這樣就能實(shí)現(xiàn)均衡與電壓采樣實(shí)現(xiàn)解耦，測(cè)試的時(shí)候發(fā)現(xiàn)電壓采樣的誤差基本上沒(méi)什么劣化。而現(xiàn)在的芯片，雖然也有同樣的標(biāo)志位，但是實(shí)測(cè)貌似不太靠譜，很多時(shí)候是需要通過(guò)軟件的任務(wù)調(diào)度來(lái)實(shí)現(xiàn)均衡和采樣的解耦，基本流程就是均衡的時(shí)候屏蔽采樣，采樣的時(shí)候關(guān)斷均衡。而由于硬件上的一些處理措施，導(dǎo)致采樣的時(shí)間比較長(zhǎng)，損耗了很多均衡的時(shí)間，因此在進(jìn)行采樣的時(shí)候同步進(jìn)行均衡，實(shí)際均衡的時(shí)間會(huì)大打折扣。對(duì)于上面提到的外置均衡MOS和內(nèi)置均衡MOS，相對(duì)來(lái)說(shuō)外置均衡MOS更好控制一點(diǎn)，因?yàn)槊總€(gè)通道都是獨(dú)立控制且相互不受影響的。而內(nèi)置MOS相當(dāng)于打了個(gè)擦邊球，相鄰?fù)ǖ赖木鉀](méi)辦法同時(shí)打開(kāi)，會(huì)損耗掉相當(dāng)一部分的均衡效率。我們來(lái)計(jì)算一下這兩種方式下均衡電阻產(chǎn)生的熱量，為方便計(jì)算，我們以凌特的上一代采樣芯片為例，一個(gè)芯片12個(gè)采樣通道，并且假設(shè)以單體電池電壓4V時(shí)均衡電流要求達(dá)到100mA這個(gè)目標(biāo)為基準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)估。假設(shè)MOS導(dǎo)通阻抗為0，電池為理想電池。對(duì)于第一種外置MOS的方式，12個(gè)通道同時(shí)開(kāi)啟均衡的時(shí)候，每個(gè)通道100mA的電流，均衡電阻就是40Ω。如下圖所示的圖例就是這種外置MOS的模型，均衡電阻的發(fā)熱功率為0.1A*0.1A*40Ω=0.4W。12個(gè)通道就是4.8W。對(duì)于第二種內(nèi)置MOS的方式，計(jì)算方法需要修改一下，因?yàn)?2個(gè)通道的耦合關(guān)系，只能實(shí)現(xiàn)奇偶對(duì)開(kāi)，無(wú)法將所有通道同時(shí)打開(kāi)，相當(dāng)于均衡的時(shí)間小了一半，又要均衡的效果不變。那么為了達(dá)到100mA的均衡電流的目標(biāo)，在奇通道或者偶通道開(kāi)啟的時(shí)候，均衡電流需要增大一倍，那么如下圖的模型所示。 奇通道開(kāi)啟的時(shí)候，流經(jīng)電阻的電流為200mA，6個(gè)通道一共12個(gè)電阻在發(fā)熱，單個(gè)電阻的瞬時(shí)功率為0.2A*0.2A*10Ω=0.4W，12個(gè)電阻就是4.8W。 而在奇偶對(duì)開(kāi)的時(shí)候，處于兩個(gè)電池中間的電阻，會(huì)經(jīng)歷奇通道開(kāi)啟的正向電流，也會(huì)經(jīng)歷偶通道開(kāi)啟時(shí)的負(fù)向電流。那它的發(fā)熱功率是否更大了呢？答案是沒(méi)有，它一直保持200mA的均衡電流，也就是0.4W的功率，始終在整個(gè)均衡的過(guò)程中發(fā)光發(fā)熱。 所以掌握這個(gè)前提，在相同均衡電流的前提下，均衡電阻的發(fā)熱功率與奇偶對(duì)開(kāi)沒(méi)有關(guān)系，我們來(lái)設(shè)計(jì)我們的電阻散熱結(jié)構(gòu)，不管是通過(guò)PCB自己散熱，還是通過(guò)導(dǎo)熱膠將電阻的發(fā)熱導(dǎo)到結(jié)構(gòu)件上輔助散熱，都需要做好充足的裕量，保障芯片不過(guò)熱。 在做項(xiàng)目的過(guò)程中，很多時(shí)候別人做的并不一定是對(duì)的，要對(duì)自己分析驗(yàn)證過(guò)的方案有信心，才是正向開(kāi)發(fā)的第一步。
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