【導(dǎo)讀】在主動均衡系統(tǒng)設(shè)計中，算法是駕馭硬件能量流動的智慧中樞。算法的復(fù)雜度與效能，往往直接受到其所依賴的硬件架構(gòu)的制約。因此，如何在與簡潔硬件架構(gòu)協(xié)同的過程中，設(shè)計出同樣高效、低復(fù)雜度的均衡策略，是實現(xiàn)卓越BMS設(shè)計的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。本文聚焦于均衡算法的核心邏輯、設(shè)計原則及與特定硬件架構(gòu)的協(xié)同優(yōu)化方法，旨在剖析如何通過算法決策提升均衡效率與系統(tǒng)可靠性。雖然文中討論的算法與特定硬件架構(gòu)深度綁定，但其揭示的設(shè)計權(quán)衡、優(yōu)化思路與實現(xiàn)框架，可為工程師在面對不同架構(gòu)時提供普適性的靈感與方法論指導(dǎo)。
摘要
在主動均衡系統(tǒng)設(shè)計中，算法是駕馭硬件能量流動的智慧中樞。算法的復(fù)雜度與效能，往往直接受到其所依賴的硬件架構(gòu)的制約。因此，如何在與簡潔硬件架構(gòu)協(xié)同的過程中，設(shè)計出同樣高效、低復(fù)雜度的均衡策略，是實現(xiàn)卓越BMS設(shè)計的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。本文聚焦于均衡算法的核心邏輯、設(shè)計原則及與特定硬件架構(gòu)的協(xié)同優(yōu)化方法，旨在剖析如何通過算法決策提升均衡效率與系統(tǒng)可靠性。雖然文中討論的算法與特定硬件架構(gòu)深度綁定，但其揭示的設(shè)計權(quán)衡、優(yōu)化思路與實現(xiàn)框架，可為工程師在面對不同架構(gòu)時提供普適性的靈感與方法論指導(dǎo)。
引言
在本系列文章的前幾部分中，討論重點主要集中在如何選擇合適的集成電路(IC)與元器件，以構(gòu)建主動均衡電路或架構(gòu)。由于均衡算法在主動均衡系統(tǒng)中舉足輕重，因此有必要對其進(jìn)行深入探討。
因此，本文旨在嘗試開發(fā)一種專門針對本系列所介紹的均衡架構(gòu)的算法。目標(biāo)是提供一套高效、簡潔且易于部署和評估的主動均衡算法參考設(shè)計，幫助工程師及從業(yè)者快速實現(xiàn)、測試，并直接觀察ADI解決方案在電池包中的實際均衡性能。
話雖如此，有一點值得反復(fù)強調(diào)：盡管本文所提出的均衡算法強調(diào)簡潔性與高效性，但在實際應(yīng)用中，不存在任何一種單一算法能一勞永逸地應(yīng)對所有電芯不一致場景。任何均衡策略在投入實際電池系統(tǒng)使用前，都必須經(jīng)過全面的評估與驗證。
主動均衡圖形用戶界面軟件
基于本系列之前文章中介紹的主動均衡概念，主動均衡系統(tǒng)的控制代碼主要部署在兩個位置：嵌入式微控制器(MCU)和基于個人電腦(PC)的主動均衡圖形用戶界面(GUI)。MCU的作用與功能已在之前的文章中討論過，本部分將重點介紹PC端評估軟件，即主動均衡GUI。
圖1和圖2展示了本設(shè)計架構(gòu)中所用GUI界面的截圖。為避免視覺混亂，僅對功能不直觀的部分進(jìn)行了標(biāo)注，以確保清晰明了。
該GUI既是MCU與電腦之間的通信橋梁，也提供實時數(shù)據(jù)可視化功能，可顯示電芯電壓、指示每個電芯的均衡狀態(tài)，并捕獲和記錄系統(tǒng)故障或異常運行情況。最重要的是，該GUI集成了自動化主動均衡算法，因而不僅是一款監(jiān)控工具，更是執(zhí)行均衡過程的關(guān)鍵驅(qū)動程序。
圖1.主動均衡GUI：顯示電芯電壓、均衡狀態(tài)和錯誤警報的圖形界面。
圖2.主動均衡GUI：調(diào)試期間用于監(jiān)控MCU與GUI數(shù)據(jù)交互的日志窗口。
主動均衡算法下的性能表現(xiàn)
本設(shè)計架構(gòu)支持主動均衡過程的兩種控制模式：手動均衡控制和全自動算法控制。
1.手動均衡控制
在手動模式下，用戶可直接發(fā)送指令，對單個電芯進(jìn)行充電、放電或禁用均衡操作。該模式適用于診斷測試，或針對特定電芯執(zhí)行定向均衡干預(yù)與微調(diào)。
2.自動化主動均衡算法
在自動模式下，操作流程經(jīng)過簡化以提升易用性：將電池包連接至系統(tǒng)、啟動GUI軟件、建立與MCU的串行通信，然后點擊AUTO_ENABLE按鈕。此后，系統(tǒng)將自動使所有16個電芯達(dá)到相同電壓水平，無需用戶進(jìn)一步干預(yù)。
圖3至圖5展示了在啟用自動化均衡功能的情況下，三種不同運行狀態(tài)（充電、放電、空閑）下電芯電壓的收斂過程。測試所用的電池包中包含16個鎳錳鈷(NMC)鋰離子電芯，每個電芯的額定容量為40 Ah。
?充電狀態(tài)：使用最大電流為10 A的充電器為電池包充電，電芯電壓從約3.65 V升至接近4.1 V。
?放電狀態(tài)：將電池組連接至10 Ω的大功率電阻負(fù)載，電芯電壓從約3.85 V降至約3.65 V。
?空閑狀態(tài)：電池包處于空閑狀態(tài)，未連接充電器或負(fù)載。
在所有這三種情況下，測試開始時均有意使電芯電壓處于不均衡狀態(tài)，以更好地展示主動均衡電路的收斂效果。當(dāng)所有電芯的電壓偏差收斂到閾值范圍內(nèi)（定義為與平均電壓的差值在±3 mV以內(nèi)）時，自動均衡停止條件被觸發(fā)，實驗隨即終止。
如圖3至圖5所示，啟用自動化算法后，16個電芯的電壓收斂到了較窄的容差范圍內(nèi)。由此證明，所提出的架構(gòu)與算法不僅在空閑狀態(tài)下，在充電和放電階段均能實現(xiàn)穩(wěn)定且有效的均衡。
圖3.電池包以最大電流10 A充電，啟用自動化主動均衡算法。
圖4.電池包通過10 ?大功率電阻放電，啟用自動化主動均衡算法。
圖5.電池包處于空閑狀態(tài)，啟用自動化主動均衡算法。
自動化均衡算法的執(zhí)行邏輯
自動化均衡算法以循環(huán)、順序的方式運行：依次對16個電芯進(jìn)行均衡，之后重復(fù)該過程。它不會嘗試在一次循環(huán)中完全平衡單個電芯，而是采用輪詢策略，執(zhí)行多次短時間的均衡周期。這種方式可避免單個電芯的均衡停留時間過長，因為停留過長會降低整體均衡效率，還可能影響電池包安全性。持續(xù)聚焦單個電芯的均衡，還可能導(dǎo)致其他長時間空閑的電芯面臨過充或過放風(fēng)險。通過在所有電芯間分配均衡任務(wù)，電芯電壓偏差能高效收斂至預(yù)設(shè)的停止閾值。
算法根據(jù)電芯分組，采用兩種互補的均衡方法：
1. 緩沖區(qū)均衡（2-9號電芯）——相對均衡
?計算緩沖區(qū)組（2-9號電芯）的平均電壓，記為Avg(2-9)。
?每個緩沖區(qū)電芯（2-9號）均以Avg(2-9)為基準(zhǔn)進(jìn)行均衡，而非以電池包整體平均電壓(AvgALL)為基準(zhǔn)。
2. 獨立電芯均衡（1號、10-16號電芯）——絕對均衡
?計算全部16個電芯的電池包整體平均電壓，記為AvgALL。
?每個獨立電芯（1號、10-16號）均以AvgALL為基準(zhǔn)進(jìn)行均衡，向該電壓值靠攏。
無論是緩沖區(qū)電芯還是獨立電芯，其均衡方向（充電或放電）與均衡時長，均由各個電芯電壓偏差的正負(fù)符號和偏差幅度決定。盡管均衡時長大致與偏差幅度成正比，但不會出現(xiàn)單個電芯主導(dǎo)整個均衡過程的情況。算法通過短時間、迭代式的循環(huán)遍歷所有電芯，確保電壓偏差快速、穩(wěn)定地收斂。
均衡過程的最終目標(biāo)是讓電池包內(nèi)所有電芯的電壓盡可能接近AvgALL。將算法劃分為“緩沖區(qū)組相對均衡”與“獨立電芯絕對均衡”，原因是為了提升效率：如果緩沖區(qū)電芯直接以AvgALL為基準(zhǔn)均衡，它們在作為其他電芯的能量儲備庫時，會反復(fù)經(jīng)歷充放電循環(huán)，導(dǎo)致均衡收斂效率低下。通過相對均衡，先讓緩沖區(qū)電芯電壓與Avg(2-9)對齊，再以緩沖區(qū)整體為獨立電芯充放電，系統(tǒng)能實現(xiàn)更快的整體收斂。在一個完整均衡周期結(jié)束時，Avg(2-9)與AvgALL可能并非完全一致，但會非常接近，從而確保整個電池包達(dá)到良好的均衡狀態(tài)。
為進(jìn)一步提升效率與可靠性，倘若某一電芯的電壓偏差已在容差范圍內(nèi)，或檢測到異常情況，算法會跳過這一電芯，繼續(xù)處理下一個符合條件的電芯。
架構(gòu)設(shè)計原理與基于緩沖區(qū)的均衡機(jī)制
細(xì)心的讀者或許會發(fā)現(xiàn)，上述均衡策略與理想的全雙向電芯間均衡拓?fù)浯嬖诓町悺Ｔ蛞荒苛巳唬喝舨灰霕O高的架構(gòu)復(fù)雜度，要在電池包內(nèi)任意兩個電芯之間實現(xiàn)真正的直接雙向能量傳輸，在實際應(yīng)用中并不可行。
為解決這一難題，該算法借助中間充電緩沖區(qū)實現(xiàn)間接均衡。具體而言，電池包內(nèi)n個相鄰的電芯被指定為緩沖區(qū)。這一配置在均衡架構(gòu)圖（圖6）中也有體現(xiàn)，圖中緩沖區(qū)被描繪為由這n個連續(xù)電芯組成的模塊。
傳統(tǒng)設(shè)計依賴獨立的外部電源（如大容量12 V或24 V電池）作為緩沖區(qū)，而本架構(gòu)則完全利用電池包內(nèi)部已存儲的能量運行。這種方式不僅提高了系統(tǒng)整體效率，還降低了軟硬件的設(shè)計復(fù)雜度。
本架構(gòu)與算法中的均衡過程通過兩步式能量傳輸實現(xiàn)。
1. 電芯到緩沖區(qū)放電：將過充電芯的能量轉(zhuǎn)移至緩沖區(qū)電芯中。
2. 緩沖區(qū)到電池充電：而后將緩沖區(qū)的能量重新分配給欠充電芯。
這種兩步式流程，在功能上等效于實現(xiàn)了雙向電芯間均衡，同時避開了直接一對一傳輸拓?fù)涞墓こ虖?fù)雜度。這種拓?fù)潆m被視為理想的均衡形式，但因其電路復(fù)雜度高、成本高，在大型電池包中往往難以落地。在這種方法中，當(dāng)某個電芯需要充電時，所需能量會從緩沖區(qū)電芯中統(tǒng)一獲??；反之，當(dāng)某個電芯需要放電時，其多余能量會被均勻重新分配回緩沖區(qū)電芯。
圖6.基于LT8306、LT8309、ADP1612、MAX7312、ADBMS6830和MAX32670的主動均衡電路架構(gòu)圖。
臨時暫停和重新激活自動均衡的條件
當(dāng)2到9號電芯相對Avg(2-9)的電壓偏差降至設(shè)定閾值（例如±3 mV）以下，且1號、10到16號電芯相對AvgALL的電壓偏差也處于同一閾值內(nèi)時，自動化均衡過程會臨時暫停。此時，Avg(2-9)與AvgALL可能并非完全一致，但會十分接近。滿足這些條件后，算法將轉(zhuǎn)入待機(jī)狀態(tài)，等待下一次均衡觸發(fā)。
自動化均衡算法在激活狀態(tài)下，會持續(xù)輪詢電池系統(tǒng)，判斷是否需要啟動均衡。觸發(fā)條件可由用戶配置，默認(rèn)觸發(fā)邏輯為：當(dāng)16個電芯中最高電芯電壓與最低電芯電壓的差值超過10 mV時，啟動均衡。
算法激活后，會持續(xù)運行直至滿足暫停條件，隨后停止并等待下一次觸發(fā)事件。如前所述，暫停條件保持不變，此處不再贅述。
為避免均衡過程過度循環(huán)及不必要的能量損耗，在觸發(fā)閾值(10 mV)與暫停閾值(±3 mV)之間設(shè)置了“滯回帶”。這可確保僅當(dāng)電芯出現(xiàn)顯著電壓偏差時，均衡才會重新激活，從而同時提升系統(tǒng)效率與使用壽命。
特殊注意事項
由于電芯電壓采樣線束與主動均衡線束共用同一布線，且受本系列之前文章提及的線路電阻(Rroute)及大均衡電流的共同影響，主動均衡過程中會出現(xiàn)電壓降。如圖7至10所示，該電壓降會影響電芯電壓測量的準(zhǔn)確性。因此，必須定期暫停主動均衡，以獲取準(zhǔn)確的電壓讀數(shù)。
?如果暫停過于頻繁，會降低均衡效率。
?如果暫停間隔過長，可能導(dǎo)致過度均衡。
在本架構(gòu)中，算法會根據(jù)觀測到的電壓偏差估算所需均衡時長，例如每5 mV偏差對應(yīng)約1分鐘均衡時間。達(dá)到計算出的時長后，均衡會自動暫停以進(jìn)行準(zhǔn)確的電壓測量，隨后算法將決定下一步操作。
這種自適應(yīng)時序策略相比固定間隔方式提升了效率，但它依賴于“充放電電流接近恒定”這一前提。在本設(shè)計中，電流穩(wěn)定性通過直接從電池包獲取緩沖區(qū)電壓而非依賴外部電源來實現(xiàn)，即便電芯電壓在3.0 V至4.2 V之間變化，也能確保電流接近恒定。
盡管組合使用采樣線束與均衡線束會在均衡期間引入測量誤差，但也帶來了顯著優(yōu)勢：
?減少線束數(shù)量，簡化布線，節(jié)省印刷電路板(PCB)空間。
?均衡期間觀測到的電壓降可作為運行狀態(tài)指示器，幫助確認(rèn)主動均衡電路是否正常工作。
圖7.主動均衡功能未激活時，電芯電壓測量值保持穩(wěn)定。
圖8.主動均衡運行期間，為特定電芯充電時對電壓測量的影響。
圖9.主動均衡運行期間，為特定電芯放電時對電壓測量的影響。
圖10.主動均衡運行期間，均衡電流對電芯電壓測量的影響：左側(cè)為電芯充電，右側(cè)為電芯放電。
結(jié)語
本系列關(guān)于主動均衡的文章至此告一段落。盡管我們竭盡全力，試圖在有限的篇幅內(nèi)將這一系統(tǒng)性設(shè)計的方方面面詳盡呈現(xiàn)，但受限于篇幅，仍有許多復(fù)雜的設(shè)計要點，尤其是本主動均衡方案中完整的軟件編程細(xì)節(jié)，無法在此一一詳述。本系列文章的核心愿景，是激發(fā)對電池主動均衡技術(shù)懷有熱忱的工程師和電子愛好者們的探索欲望與創(chuàng)新靈感。我們由衷地期望讀者們，既能直接運用文中介紹的設(shè)計方案，也能以此為起點，深入鉆研、不斷拓展，通過持續(xù)創(chuàng)新，打造出既簡潔又高效的主動均衡解決方案。
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