延長壽命，保障安全，儲能電池中不可或缺的均衡芯片
2024-6-20 13:37:09??????點擊：
在儲能電池快速發展的當下，電池組的容量越來越大，也讓其中的電芯越來越多，而多個電芯是通過串聯或并聯組成，由于生產制造過程中的微小差異，以及長期使用中老化程度的不同，電芯之間會出現電壓、容量的不一致性。這時就需要有均衡芯片來減少這種不一致性，確保電池組內左右的電芯保持相近的荷電狀態。
均衡芯片可以維護電池組中各個單體電池電量的一致性，通過監控電池組的充放電狀態以及各個單體電池的電壓、電流、溫度等參數，并采用相應的控制策略，對電池單體進行充放電過程中的調節，降低電池單體之間的不均衡特性，使得各個單體電池的電量盡可能地保持一致，從而提高整個儲能系統的性能和壽命。
而均衡芯片中的技術，通常可以歸納為兩種，即被動均衡和主動均衡。被動均衡技術，又稱為能量耗散式均衡，其工作原理是在每節電芯上并聯一個電阻。
當某個電芯提前充滿，而又需要繼續給其他電芯充電時，通過電阻對電壓高的電芯以熱量形式釋放電量，為其他電芯爭取更多充電時間。這種方式結構簡單，使用廣泛，但會降低系統效率，因為通過電阻耗能會產生熱量，且均衡時間短，效果不佳，一般均衡時間都在充電周期末期。
主動均衡技術，又稱非能量耗散式均衡，其原理在充電和放電循環期間，將能量高的電芯內的能量轉移到能量低的電芯中去，實現能量在電芯之間的流動。這種方式有助于降低損耗、提升系統可用容量，適用于大容量、高串數的鋰電池組應用。主動均衡相比被動均衡能量利用率更高，可以縮短充電時間，并減少均衡時產生的熱量。
均衡芯片的發展與選擇
在最初的BMS中，由于均衡技術并不發達，往往僅依賴簡單的過充過放保護。隨著鋰離子電池的廣泛應用，對電池管理的要求逐漸提高。到了2000年代初，被動均衡技術開始被廣泛應用于消費電子產品中，雖然效率不高，但結構簡單，成本較低。
到了2010年以后，主動均衡技術逐漸成熟并商用化，尤其是在電動汽車和大型儲能系統中。這一時期，更多的半導體公司如Linear Technology（已被ADI收購）推出了如LTC680x系列等專業芯片，支持高精度測量和主動均衡控制。
到了如今，隨著電池能量密度的提升和應用需求的多樣化，電池均衡技術持續創新。出現了更多集成度高、智能化的均衡芯片，有的雙向DC-DC主動均衡芯片，還能采用智能算法，不僅提高均衡效率，還延長了電池組的使用壽命。同時，雙向同步整流技術、大均衡電流能力以及低能耗成為均衡芯片研發的新趨勢，旨在提高均衡效率的同時降低成本。
針對均衡芯片，最重要的指標在于均衡效率，均衡效率指的是均衡芯片在執行電芯電壓均衡時，能夠有效轉移能量的比例，即從高電壓電芯轉移至低電壓電芯的能量與實際消耗或轉移的能量之比。高均衡效率意味著在均衡過程中能量損失較小，系統整體效能更高。
舉個例子，假設有一個由4個電芯串聯組成的電池包，每個電芯的理想電壓為3.7V，總電壓應為14.8V。但由于生產差異或使用過程中的不均勻老化，電芯A的電壓為3.8V，電芯B、C為3.7V，電芯D為3.6V。此時，電芯間存在電壓差異，需要均衡。
如果采用一款均衡效率為90%的均衡芯片進行均衡操作，目標是將所有電芯電壓調整至3.7V。首先，芯片從電壓最高的電芯A轉移能量給電壓最低的電芯D。理論上，需要從A電芯移出0.1V的電壓差，即轉移約（0.1V * 容量）/1小時的電荷量。
若電池容量為10Ah，那么需要轉移的電荷量為0.1Ah（即1000mAh）。在90%的均衡效率下，實際消耗的電能為轉移電能的1.11倍，即實際消耗1110mAh的電能來完成這次均衡。
這意味著，盡管完成了電芯間電壓的均衡，但是有110mAh的能量（即1110mAh-1000mAh）以熱能等形式損耗掉了，這部分能量沒有被電池系統有效利用。因此，均衡效率越高，表示在相同任務下損耗越小，電池組的能量利用率越高，這對于提升整個儲能系統的經濟性和續航能力都是非常重要的。
此外，還需要考慮均衡芯片的精度與分辨率測量電壓和電流的精度直接影響均衡效果，高分辨率的ADC能夠更精細地控制電芯電壓。以及動態響應，快速響應負載變化和電壓波動的能力，對于維持系統穩定性至關重要。
均衡芯片可以維護電池組中各個單體電池電量的一致性，通過監控電池組的充放電狀態以及各個單體電池的電壓、電流、溫度等參數，并采用相應的控制策略，對電池單體進行充放電過程中的調節，降低電池單體之間的不均衡特性，使得各個單體電池的電量盡可能地保持一致，從而提高整個儲能系統的性能和壽命。
而均衡芯片中的技術，通常可以歸納為兩種，即被動均衡和主動均衡。被動均衡技術，又稱為能量耗散式均衡，其工作原理是在每節電芯上并聯一個電阻。
當某個電芯提前充滿，而又需要繼續給其他電芯充電時，通過電阻對電壓高的電芯以熱量形式釋放電量，為其他電芯爭取更多充電時間。這種方式結構簡單，使用廣泛，但會降低系統效率，因為通過電阻耗能會產生熱量，且均衡時間短，效果不佳，一般均衡時間都在充電周期末期。
主動均衡技術，又稱非能量耗散式均衡，其原理在充電和放電循環期間，將能量高的電芯內的能量轉移到能量低的電芯中去，實現能量在電芯之間的流動。這種方式有助于降低損耗、提升系統可用容量，適用于大容量、高串數的鋰電池組應用。主動均衡相比被動均衡能量利用率更高，可以縮短充電時間，并減少均衡時產生的熱量。
均衡芯片的發展與選擇
在最初的BMS中，由于均衡技術并不發達，往往僅依賴簡單的過充過放保護。隨著鋰離子電池的廣泛應用，對電池管理的要求逐漸提高。到了2000年代初，被動均衡技術開始被廣泛應用于消費電子產品中，雖然效率不高，但結構簡單，成本較低。
到了2010年以后，主動均衡技術逐漸成熟并商用化，尤其是在電動汽車和大型儲能系統中。這一時期，更多的半導體公司如Linear Technology（已被ADI收購）推出了如LTC680x系列等專業芯片，支持高精度測量和主動均衡控制。
到了如今，隨著電池能量密度的提升和應用需求的多樣化，電池均衡技術持續創新。出現了更多集成度高、智能化的均衡芯片，有的雙向DC-DC主動均衡芯片，還能采用智能算法，不僅提高均衡效率，還延長了電池組的使用壽命。同時，雙向同步整流技術、大均衡電流能力以及低能耗成為均衡芯片研發的新趨勢，旨在提高均衡效率的同時降低成本。
針對均衡芯片，最重要的指標在于均衡效率，均衡效率指的是均衡芯片在執行電芯電壓均衡時，能夠有效轉移能量的比例，即從高電壓電芯轉移至低電壓電芯的能量與實際消耗或轉移的能量之比。高均衡效率意味著在均衡過程中能量損失較小，系統整體效能更高。
舉個例子，假設有一個由4個電芯串聯組成的電池包，每個電芯的理想電壓為3.7V，總電壓應為14.8V。但由于生產差異或使用過程中的不均勻老化，電芯A的電壓為3.8V，電芯B、C為3.7V，電芯D為3.6V。此時，電芯間存在電壓差異，需要均衡。
如果采用一款均衡效率為90%的均衡芯片進行均衡操作，目標是將所有電芯電壓調整至3.7V。首先，芯片從電壓最高的電芯A轉移能量給電壓最低的電芯D。理論上，需要從A電芯移出0.1V的電壓差，即轉移約（0.1V * 容量）/1小時的電荷量。
若電池容量為10Ah，那么需要轉移的電荷量為0.1Ah（即1000mAh）。在90%的均衡效率下，實際消耗的電能為轉移電能的1.11倍，即實際消耗1110mAh的電能來完成這次均衡。
這意味著，盡管完成了電芯間電壓的均衡，但是有110mAh的能量（即1110mAh-1000mAh）以熱能等形式損耗掉了，這部分能量沒有被電池系統有效利用。因此，均衡效率越高，表示在相同任務下損耗越小，電池組的能量利用率越高，這對于提升整個儲能系統的經濟性和續航能力都是非常重要的。
此外，還需要考慮均衡芯片的精度與分辨率測量電壓和電流的精度直接影響均衡效果，高分辨率的ADC能夠更精細地控制電芯電壓。以及動態響應，快速響應負載變化和電壓波動的能力，對于維持系統穩定性至關重要。
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