【導(dǎo)讀】在追求電池管理系統(tǒng)（BMS）極致性能的過程中，主動(dòng)均衡已超越單一的電路功能，演變?yōu)橐豁?xiàng)需要硬件架構(gòu)與軟件策略深度協(xié)同的系統(tǒng)級(jí)工程。真正的“高效”與“簡(jiǎn)潔”，并非僅通過優(yōu)化單一方面實(shí)現(xiàn)，而是源于對(duì)能量轉(zhuǎn)移硬件拓?fù)渑c智能均衡管理算法的統(tǒng)籌設(shè)計(jì)。本文將深入解析支撐高效主動(dòng)均衡的兩大支柱：一是如何審慎選型與集成關(guān)鍵IC及外圍元件，構(gòu)建精簡(jiǎn)可靠的硬件基礎(chǔ)；二是如何設(shè)計(jì)主導(dǎo)均衡過程的核心算法策略，從而在系統(tǒng)層面實(shí)現(xiàn)性能、成本與復(fù)雜度的最優(yōu)平衡。
摘要
在追求電池管理系統(tǒng)（BMS）極致性能的過程中，主動(dòng)均衡已超越單一的電路功能，演變?yōu)橐豁?xiàng)需要硬件架構(gòu)與軟件策略深度協(xié)同的系統(tǒng)級(jí)工程。真正的“高效”與“簡(jiǎn)潔”，并非僅通過優(yōu)化單一方面實(shí)現(xiàn)，而是源于對(duì)能量轉(zhuǎn)移硬件拓?fù)渑c智能均衡管理算法的統(tǒng)籌設(shè)計(jì)。本文將深入解析支撐高效主動(dòng)均衡的兩大支柱：一是如何審慎選型與集成關(guān)鍵IC及外圍元件，構(gòu)建精簡(jiǎn)可靠的硬件基礎(chǔ)；二是如何設(shè)計(jì)主導(dǎo)均衡過程的核心算法策略，從而在系統(tǒng)層面實(shí)現(xiàn)性能、成本與復(fù)雜度的最優(yōu)平衡。
引言
承續(xù)本系列已闡述的主動(dòng)均衡概念，接下來(lái)將從兩個(gè)維度繼續(xù)討論該主題：均衡架構(gòu)和均衡算法。我們將從硬件和軟件兩個(gè)層面，探討如何設(shè)計(jì)一個(gè)高效、精簡(jiǎn)、易于部署與評(píng)估的系統(tǒng)級(jí)主動(dòng)均衡解決方案。
本文（本系列的第三部分）重點(diǎn)介紹均衡架構(gòu)。設(shè)計(jì)方案中包括一個(gè)開關(guān)矩陣主板、兩個(gè)反激電源板、一個(gè)電池管理系統(tǒng)(BMS)控制板、一個(gè)微控制器單元(MCU)評(píng)估板和一個(gè)isoSPI隔離通信評(píng)估板。以下章節(jié)將簡(jiǎn)要介紹每個(gè)硬件板的功能。
開關(guān)矩陣電路板
在主動(dòng)均衡設(shè)計(jì)中，電荷需要在電芯之間以及電池包之間傳輸。正如本系列第二部分所述，更高效、更精簡(jiǎn)的均衡解決方案采用多電芯電池包，并使用兩個(gè)獨(dú)立的反激電路和兩個(gè)變壓器：一個(gè)專用于電芯之間的均衡，另一個(gè)專用于電池包之間的均衡。開關(guān)矩陣以時(shí)分復(fù)用的方式，選擇性地將不同電芯連接到主動(dòng)均衡電路。
該主動(dòng)均衡架構(gòu)中的開關(guān)矩陣是基于先前討論的概念構(gòu)建而成。它包含一個(gè)16通道電芯選擇矩陣，能夠精確接入目標(biāo)電芯進(jìn)行均衡。此外還有四個(gè)極性選擇開關(guān)，用于在選定電芯連接到反激電路時(shí)調(diào)整電壓極性。整體均衡架構(gòu)如圖1所示。
圖1.主動(dòng)均衡電路架構(gòu)示意圖
該架構(gòu)使用單個(gè)反激電源級(jí)，通過在電池包內(nèi)的多個(gè)電芯之間分時(shí)共享一個(gè)反激轉(zhuǎn)換器來(lái)實(shí)現(xiàn)電芯間均衡。可選擇被均衡電池包中16個(gè)電芯中的任何一個(gè)進(jìn)行均衡。
反激電源級(jí)由LT8306驅(qū)動(dòng)，后者是一款高集成度且高效的控制器，只需極少的外部元件，非常適合主動(dòng)均衡系統(tǒng)中的隔離式能量轉(zhuǎn)移應(yīng)用。模組電壓直接來(lái)源于已均衡的電池包，因此在運(yùn)行期間，即使單個(gè)電芯電壓出現(xiàn)波動(dòng)，占空比變化仍能保持最小。這使得充電和放電能夠接近恒流，從而帶來(lái)更穩(wěn)定的硬件性能，并大大簡(jiǎn)化主動(dòng)均衡算法的開發(fā)和調(diào)試，如表1所示。
理論上，源自電池包中N個(gè)電芯的模組電壓Vmodule可能并不完全等于N × Vcell（任何單個(gè)電芯的電壓），但實(shí)際上，配置良好且運(yùn)行正常的主動(dòng)均衡系統(tǒng)能以非常高的一致性維持Vmodule ≈ N × Vcell。
圖2.基于本文所提出架構(gòu)的單電芯放電的LTspice仿真
表1.電芯均衡期間的占空比變化（假設(shè)模組電壓為N個(gè)電芯的電壓之和，其中N = 8）
占空比（電芯放電）= (Vcell × N + VF) × NPS/(Vcell + (Vcell × N + VF) × NPS)
占空比（電芯充電）= (Vcell + VF) × NSP/(Vcell × N + (Vcell + VF) × NSP)
NPS = 1:N；NSP = N:1；VF = 0.3 V
反激電路設(shè)計(jì)和仿真
LT8306與Würth變壓器（產(chǎn)品型號(hào)749119533）和必要的無(wú)源元件結(jié)合使用，可實(shí)現(xiàn)隔離式反激電源級(jí)，作為主動(dòng)均衡架構(gòu)的一部分，用于電芯之間的能量轉(zhuǎn)移。
圖2和圖3展示了該架構(gòu)中使用的反激電路的LTspice?原理圖和相應(yīng)的仿真結(jié)果。仿真清楚地表明，該電路實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的電芯充放電雙向均衡。
升壓轉(zhuǎn)換器和同步整流
在該架構(gòu)中：
?在電芯側(cè)，LT8306由7 V穩(wěn)壓電源供電。假設(shè)單個(gè)鋰離子電芯的最大電壓為4.2 V，該架構(gòu)的推薦工作范圍為3.0 V至4.2 V，則7 V電源軌由ADP1612升壓轉(zhuǎn)換器對(duì)電芯電壓進(jìn)行升壓來(lái)產(chǎn)生。該器件是一款高性價(jià)比、高效率轉(zhuǎn)換器，非常適合將均衡電路中的低電芯電壓升高至適當(dāng)?shù)碾娖剑源_保LT8306在最佳范圍內(nèi)工作。
?在電芯均衡充電期間，反激輸出與單個(gè)電芯的電壓一致。在如此低的電壓和相對(duì)較高的充電電流下，使用二極管進(jìn)行續(xù)流會(huì)造成顯著的損耗和過熱問題，而且這些問題會(huì)隨著電芯電壓下降而變得更加嚴(yán)重。但是，若將LT8306與LT8309等同步整流控制器配合使用，則可實(shí)現(xiàn)高效率轉(zhuǎn)換路徑，同時(shí)最大限度地減輕熱應(yīng)力，尤其是在低電壓、高電流情況下。
圖3.基于本文所提出架構(gòu)的單電芯充電的LTspice仿真
圖4顯示了采用ADP1612升壓轉(zhuǎn)換器和LT8309同步整流以實(shí)現(xiàn)主動(dòng)均衡的反激電源級(jí)的完整LTspice仿真。
反饋設(shè)計(jì)考量因素
利用LT8306進(jìn)行主動(dòng)均衡的一個(gè)關(guān)鍵因素是其反饋網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)。從電芯到反激電路輸入端的路徑的總電阻（稱為RROUTE）通常不容忽略。該電阻由以下幾部分構(gòu)成：電芯內(nèi)阻、母線電阻、線束電阻、連接器電阻、保險(xiǎn)絲電阻、PCB走線電阻以及六個(gè)串聯(lián)MOSFET的總導(dǎo)通電阻RDS(ON)。
根據(jù)元件選擇、線束質(zhì)量和實(shí)際裝配條件，RROUTE可能會(huì)有很大差異，從幾十毫歐到幾百毫歐不等。其精確值通常需要現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量才能確定。當(dāng)乘以平均充電電流（ICHARGE，可達(dá)數(shù)安培）時(shí)，RROUTE兩端的電壓降可能在幾十到幾百毫伏之間。對(duì)電芯充電時(shí)，次級(jí)側(cè)LT8306以相對(duì)較高的開關(guān)頻率(Fsw)工作。在這種情況下，由電芯輸入端反激級(jí)的大布線電阻(RROUTE)和大輸入電容器(CINPUT)形成的時(shí)間常數(shù)τ = RROUTE × CINPUT變得非常重要。如果該τ超過反激開關(guān)周期(Tsw = 1/Fsw)，特別是如果它超過次級(jí)LT8306關(guān)斷時(shí)間(Toff)，那么當(dāng)LT8306采樣保持誤差放大器對(duì)次級(jí)電壓進(jìn)行采樣時(shí)，RROUTE兩端的電壓降尚未衰減到0 V。
因此，當(dāng)τ較大時(shí)，必須將此電壓降的影響納入LT8306反饋電阻網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算中。雖然與總模組電壓相比，此電壓降相對(duì)較小，但相較于單個(gè)電芯的電壓，此電壓降卻很大。
因此，使用LT8306設(shè)計(jì)電池充電電路時(shí)，必須將此電壓降納入反饋電阻的計(jì)算中。與數(shù)據(jù)手冊(cè)中給出的公式相比，改進(jìn)后的反饋電阻計(jì)算公式為：
而原式為：
RFB = 反饋電阻
VOUT = 輸出電壓
VF = 輸出二極管正向電壓
NPS = 變壓器有效初級(jí)/次級(jí)匝數(shù)比
VROUTE = RROUTE兩端的電壓降
這種調(diào)整可確保電壓調(diào)節(jié)精準(zhǔn)且運(yùn)行穩(wěn)定，尤其是在電芯充電電流較高的情況下。
圖4.基于本文所提出架構(gòu)（同步整流）的單電芯充電的LTspice仿真
電池包間的主動(dòng)均衡設(shè)計(jì)
我們還針對(duì)電池包間均衡場(chǎng)景進(jìn)行了LTspice仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。由于核心操作與電芯間均衡非常相似，因此圖5中僅展示了仿真原理圖和關(guān)鍵結(jié)果。
實(shí)施基于電壓的電池包間均衡策略時(shí)，務(wù)必確保電池模組之間的均衡電流路徑不經(jīng)過電池包的主端子（V+和V-）。這種預(yù)防措施可防止干擾電池包總電壓的測(cè)量，無(wú)論是直接在V+和V-之間測(cè)量，還是通過對(duì)電芯1至電芯16的各個(gè)電芯電壓求和來(lái)計(jì)算。
圖5.基于本文所提出架構(gòu)的電池包間均衡的LTspice仿真
圖6.不同電池包間均衡連接方法對(duì)電池包電壓測(cè)量的影響
圖6展示了不同接線方法對(duì)電池包電壓測(cè)量精度的影響，而圖7顯示了針對(duì)電池包間均衡的建議連接方案。
圖7.電池包間均衡的建議連接方法
BMS控制板
主動(dòng)電芯均衡的實(shí)現(xiàn)根本上依賴于BMS，更具體地說(shuō)，依賴于BMS電芯監(jiān)控單元提供的功能。在主動(dòng)均衡架構(gòu)中，電芯監(jiān)控器發(fā)揮著幾個(gè)重要作用，包括：
1. 實(shí)時(shí)監(jiān)控每個(gè)電芯的狀態(tài)——跟蹤電壓、溫度和保護(hù)限值（如過壓和欠壓狀況）。
2. 開路故障檢測(cè)和診斷——確保整個(gè)系統(tǒng)的安全性和可靠性。
3. 均衡開關(guān)控制——充當(dāng)I2C主機(jī)，解譯從MCU通過isoSPI接收到的均衡指令，并將其轉(zhuǎn)發(fā)到I/O擴(kuò)展器芯片，根據(jù)需要管理讀/寫操作。
4. 均衡狀態(tài)管理——通過I2C來(lái)處理板載EEPROM運(yùn)行數(shù)據(jù)的讀寫操作。
5. 菊花鏈通信——以菊花鏈配置高效傳輸數(shù)據(jù)，盡量減少M(fèi)CU的需求量。
以上只是主動(dòng)均衡電路中電芯監(jiān)控器眾多功能的一部分，但已然清楚地說(shuō)明了其所發(fā)揮的關(guān)鍵作用。
在該架構(gòu)中，ADBMS6830B用作BMS控制單元。這款高性能多電芯電池組監(jiān)控器支持測(cè)量多達(dá)16個(gè)串聯(lián)電芯；在全溫度范圍內(nèi)，整個(gè)使用壽命期內(nèi)的總測(cè)量誤差(TME)小于2 mV。因此，它能夠?qū)σ丫怆姵匕械乃?6個(gè)電芯進(jìn)行精確、實(shí)時(shí)的電壓監(jiān)控。
ADBMS6830B的輸入測(cè)量范圍為-2 V至+5.5 V，兼容多種電池化學(xué)體系，從高電壓的鋰鎳錳鈷氧化物(NMC)電芯到低電壓的LiFePO4電芯，可靈活適配不同類型的電池。此外，所有電芯均可通過兩個(gè)獨(dú)立的ADC進(jìn)行同步和冗余采樣，從而確保電壓數(shù)據(jù)高度準(zhǔn)確可靠，使均衡算法有效運(yùn)行。
MCU評(píng)估板
在此架構(gòu)中，MAX32670用作主要控制單元。除非另有說(shuō)明，后續(xù)提及的所有MCU均指MAX32670。它是一款超低功耗、高性價(jià)比且高度可靠的32位微控制器，能夠提供復(fù)雜傳感器和控制任務(wù)所需的處理裕量，非常適合工業(yè)和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。
在該主動(dòng)均衡架構(gòu)中，控制邏輯分布在兩個(gè)主要位置：
1. 主機(jī)端控制——PC上運(yùn)行的主動(dòng)均衡GUI。
2. 嵌入式控制——MCU上執(zhí)行的固件。
MCU通過UART與主機(jī)GUI通信，并通過SPI與BMS對(duì)接；通常采用isoSPI模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)電氣隔離并提升通信穩(wěn)健性。MCU還利用定時(shí)器和GPIO等內(nèi)部外設(shè)來(lái)管理均衡過程中的時(shí)序、狀態(tài)控制和I/O功能。
目前，該架構(gòu)未設(shè)計(jì)定制MCU板，而是采用MAX32670EVKIT評(píng)估板。這種方式可加快開發(fā)速度，固件和驅(qū)動(dòng)程序代碼可利用SDK編寫和調(diào)試，然后寫入到MCU的閃存中，并與主動(dòng)均衡GUI一起進(jìn)行驗(yàn)證，從而實(shí)現(xiàn)全功能系統(tǒng)驗(yàn)證，而無(wú)需在早期階段使用定制MCU PCB。
isoSPI隔離通信評(píng)估板
在該架構(gòu)中，DC2792B隔離通信評(píng)估板（基于LTC6820）用于實(shí)現(xiàn)MCU與電芯監(jiān)控器之間的通信。LTC6820支持兩個(gè)電氣隔離器件之間通過單條雙絞線纜進(jìn)行雙向SPI通信。
在運(yùn)行過程中，它將MCU的4線SPI信號(hào)轉(zhuǎn)換為2線isoSPI脈沖信號(hào)，以傳輸?shù)诫娦颈O(jiān)控器，同時(shí)能夠反其道而行，將從電芯監(jiān)控器接收到的isoSPI信號(hào)解碼回MCU使用的標(biāo)準(zhǔn)4線SPI信號(hào)。
LTC6820的隔離功能并非強(qiáng)制要求，但它通過在電氣上隔離高壓域和低壓域，顯著提升了系統(tǒng)的可靠性和安全性。這可以保護(hù)電池包、BMS控制電路和MCU硬件，同時(shí)將高壓風(fēng)險(xiǎn)降至最低，從而增強(qiáng)系統(tǒng)開發(fā)人員和最終用戶的安全保障。出于這些原因，強(qiáng)烈建議在該架構(gòu)中使用LTC6820。
均衡過程中的SOC計(jì)算
該架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了接近恒流的充電和放電過程，有利于電芯均衡，大大簡(jiǎn)化了均衡過程中對(duì)荷電狀態(tài)(SOC)的估算和監(jiān)控。由于該架構(gòu)在整個(gè)均衡過程中維持接近恒定的電流，因此用戶通常只需要跟蹤三個(gè)關(guān)鍵參數(shù)：均衡持續(xù)時(shí)間、均衡狀態(tài)（充電或放電）和預(yù)測(cè)量的均衡電流。利用這些參數(shù)可以獲得近似的SOC估計(jì)值，而無(wú)需專用庫(kù)侖計(jì)數(shù)器IC。
當(dāng)然，對(duì)于均衡過程中需要更高精度SOC計(jì)算的應(yīng)用，使用庫(kù)侖計(jì)仍然是最準(zhǔn)確的方法。
主動(dòng)均衡架構(gòu)的物理演示
該架構(gòu)的物理實(shí)現(xiàn)如圖8至圖11所示。這些圖片展示了用于在由16電芯組成的電池包中實(shí)現(xiàn)主動(dòng)均衡的硬件設(shè)置。
圖8.主動(dòng)均衡架構(gòu)內(nèi)的主板
圖9.架構(gòu)中有兩個(gè)反激電路：一個(gè)專用于電芯間均衡，另一個(gè)專用于電池包間均衡
圖10. 架構(gòu)中的isoSPI通信板和MCU控制板
圖11.在使用真實(shí)16電芯電池包（每個(gè)電芯的額定容量為40 Ah）的主動(dòng)均衡實(shí)驗(yàn)中，該架構(gòu)的物理接線和連接圖
結(jié)語(yǔ)
本文通過對(duì)這種高效、精簡(jiǎn)主動(dòng)均衡硬件架構(gòu)的深入探討，我們清晰地看到，合理選擇和整合關(guān)鍵IC與硬件板對(duì)于開發(fā)出適配的解決方案至關(guān)重要。精心挑選的元器件相互協(xié)作，共同構(gòu)建起一個(gè)簡(jiǎn)潔而高效的主動(dòng)均衡系統(tǒng)，為電池管理系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和性能提升提供了有力保障。未來(lái)，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，相信主動(dòng)均衡技術(shù)將在更多領(lǐng)域綻放光彩。
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