锂电池组主动均衡方法原理

锂电池组主动均衡方法是利用一种主动往复充电的元件，电压或电流转换器使得电量从一个电池单元转到另一个上。这些器件可以被模拟或者数字控制。锂电池组主动均衡方法的两个主要类别是电荷穿梭（原文charge shutting）和能量转换。

电荷穿梭

电荷穿梭的锂电池组主动均衡方法包括一个可以使电量从一个特定的电池单元放出、储存、然后传递给另一个电池单元的器件。目前有几种电荷穿梭方案，其中最让人关注的是“飞渡电容”。

控制系统闭合适当的开关通过电池单元B；对电容器C充电。当电容充电之后，开关就会断开。随后链接电池单元B2与电容器C的开关闭合，电容器C对电池单元B2充电，充电电量取决于B1与B2的电压差。

然后电容器以相同的方式与B3，B1…，Bn，B…连接。电池组中拥有最高电量的电池单元会给C充电，然后C会为拥有最低电量的电池单元充电。通过这种方式，拥有最高电量的电池单元会将电量分配给其他低电量电池单元。实现这种方式只需要一个固定的开关顺序来闭合或断开适当的开关。

要改良“飞渡电容”方法，就要实现智能的选取需要均衡的电池单元。这样，电容器可以从拥有最高电量的电池单元充电然后将电量传递给最低电量的电池单元。这种方法可以显著减少电池组达到均衡的时间，尤其是当最高电量电池单元与最低电量电池单元位于电池组的两端时。而这就需要另外的控制系统来检测和选择目标电池单元。

这种方案需要在电容器C达到峰值充电电流时，有很大转换速率（n+5）。对于一个有较大电池失衡（Bn=3.0V，B=4.0V理想的系统而言（电容和开关没有阻抗），1000uF的飞渡电容可以在1A的平均转换电流、1kHz转换频率下，至少以每小时1Ahr的速率平衡这些电池单元。如果考虑电容和开关的阻抗，则系统充放电的时间常数有很大程度的增加，降低实际均衡电流一个数量级或者增。

加开关电流的峰值。使用的电容越大，完成一次可用充电（usable charge）的时间越长，从而时钟速率（clock rate）降低，转换的峰值电流增加。大电池组（100Ahr）需要一个包含一个有很大转换电流的大电容的电荷穿梭设备。这样将有很多能量在电容器和开关上以电阻热的形式浪费掉。很大一部分电量均衡是通过高电量电池单元中的能量变成热能形式浪费这样简单实现的。

另一种电荷穿梭方法是每两个电池单元共用一个“飞渡电容”。电容不断与两个电池单元分别连接，从而实现电量从高电量电池单元向低电量电池单元的移动。每个电容器只需要简单的控制来激活开关。

几个电荷穿梭块（charge shuttling blocks可以级联成为具有较高电压的电池组。由于电池单元B2….Bn-1分别与它们相邻的两个电池单元共用一个飞渡电容，电量可以从一个串联电池组的末端传到另一个电池组。如果高电量电池单元与低电量电池单元恰好位于整个电池组的两端，这个方法会在它们之间的电量传递上花费大量的时间，因为剩余电量将会通过每一个电池单元从而耗费大量时间使得均衡效率降低。但是这种方法有包装上的优势：对于每两个电池单元，可以将它们的控制电路、供电电源和电容器打包成一个单独的部分。当需要电池单元增加时，我们只要增加这种单独打包的部分就可以了。

电量穿梭技术对于混合动力汽车电池的用处不大。锂电池的开路电池端电压在剩余电量40%~80%时相对平稳。某个电池单元在高剩余电量时的电压并没有比在低剩余电量时的大很多，除非剩余电量高至超过90%或者低至20%以下。

混合动力汽车电池工作在中等剩余电量状态下，此时电池单元之间的电压差最小，从而限制了电量穿梭技术的应用。

电量转换器

通过电量转换装置，电池均衡利用电感或者变压器将电量从一个或者一部分电池单元传递到另一个或者另一部分电池单元。目前来说有两种电量转换器的模式：开关变压器法和共享变压器法。

开关变压器的方法是与飞渡电容的方法一样共用一个开关拓扑。电流I取自整个电池组并在变压器T处转换。变压器输出由二极管D修正后传递给电池单元B。，而具体传递到哪一个电池单元是由开关S的设置决定的。这样，整个装置就需要一套电子控制装置来选择目标电池单元和设置开关S。

这种方法以消耗整个电池组的能量为代价迅速均衡低电量电池单元。这种方法的缺点有：结构复杂、元件数量多、以及由于磁损耗和开关损耗引起的低效率。

共享变压器有一个单独的磁芯，该磁芯有对每一个电池单元的二次分配。电池组的电流I主要在变压器内变化，然后使各二级元件产生感应电流。电抗最小（由于电池单元Ba的端电压低）的二级元件内会产生最强的感应电流。这样，每个电池单元的充电电流与其相对电量剩余百分比成反比。

共享变压器中唯一起控制作用的部分是主变压器的转换晶体管，不需要额外的闭环控制。共享变压器装置可以以最小电量损失迅速均衡一组多单元电池组。这种均衡方法的缺点是包含的复杂的磁感应以及需要大量二级回路整流器。而且，均衡回路要按照满足最多电池单元的情况设计，因为再要增加二级回路的数量十分不易。

使用一组初级线圈耦合代替通过单一磁芯耦合可以得到相同的效果。这种方法的好处是各个电池单元可以有自己的磁芯，这样可以在不改变主控制器的情况下增加串联电池单元的数量。

这种共享变压器的方法对电动汽车电池和混合动力汽车电池都适用。如果电流I，设定得很小（<100mA/Ahr），这套装置持续运行的均衡效率将比任何主动均衡方法高。