【導(dǎo)讀】在主動(dòng)均衡系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，算法是駕馭硬件能量流動(dòng)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(jiǎn)潔硬件架構(gòu)協(xié)同的過(guò)程中，設(shè)計(jì)出同樣高效、低復(fù)雜度的均衡策略，是實(shí)現(xiàn)卓越BMS設(shè)計(jì)的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。本文聚焦于均衡算法的核心邏輯、設(shè)計(jì)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(guò)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(jì)權(quán)衡、優(yōu)化思路與實(shí)現(xiàn)框架，可為工程師在面對(duì)不同架構(gòu)時(shí)提供普適性的靈感與方法論指導(dǎo)。
摘要
在主動(dòng)均衡系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，算法是駕馭硬件能量流動(dòng)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(jiǎn)潔硬件架構(gòu)協(xié)同的過(guò)程中，設(shè)計(jì)出同樣高效、低復(fù)雜度的均衡策略，是實(shí)現(xiàn)卓越BMS設(shè)計(jì)的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。本文聚焦于均衡算法的核心邏輯、設(shè)計(jì)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(guò)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(jì)權(quán)衡、優(yōu)化思路與實(shí)現(xiàn)框架，可為工程師在面對(duì)不同架構(gòu)時(shí)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(diǎn)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(dòng)均衡電路或架構(gòu)。由于均衡算法在主動(dòng)均衡系統(tǒng)中舉足輕重，因此有必要對(duì)其進(jìn)行深入探討。
因此，本文旨在嘗試開(kāi)發(fā)一種專門針對(duì)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(jiǎn)潔且易于部署和評(píng)估的主動(dòng)均衡算法參考設(shè)計(jì)，幫助工程師及從業(yè)者快速實(shí)現(xiàn)、測(cè)試，并直接觀察ADI解決方案在電池包中的實(shí)際均衡性能。
話雖如此，有一點(diǎn)值得反復(fù)強(qiáng)調(diào)：盡管本文所提出的均衡算法強(qiáng)調(diào)簡(jiǎn)潔性與高效性，但在實(shí)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(duì)所有電芯不一致場(chǎng)景。任何均衡策略在投入實(shí)際電池系統(tǒng)使用前，都必須經(jīng)過(guò)全面的評(píng)估與驗(yàn)證。
主動(dòng)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(dòng)均衡概念，主動(dòng)均衡系統(tǒng)的控制代碼主要部署在兩個(gè)位置：嵌入式微控制器(MCU)和基于個(gè)人電腦(PC)的主動(dòng)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(guò)，本部分將重點(diǎn)介紹PC端評(píng)估軟件，即主動(dòng)均衡GUI。
圖1和圖2展示了本設(shè)計(jì)架構(gòu)中所用GUI界面的截圖。為避免視覺(jué)混亂，僅對(duì)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)可視化功能，可顯示電芯電壓、指示每個(gè)電芯的均衡狀態(tài)，并捕獲和記錄系統(tǒng)故障或異常運(yùn)行情況。最重要的是，該GUI集成了自動(dòng)化主動(dòng)均衡算法，因而不僅是一款監(jiān)控工具，更是執(zhí)行均衡過(guò)程的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)程序。
圖1.主動(dòng)均衡GUI：顯示電芯電壓、均衡狀態(tài)和錯(cuò)誤警報(bào)的圖形界面。
圖2.主動(dòng)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(dòng)均衡算法下的性能表現(xiàn)
本設(shè)計(jì)架構(gòu)支持主動(dòng)均衡過(guò)程的兩種控制模式：手動(dòng)均衡控制和全自動(dòng)算法控制。
1.手動(dòng)均衡控制
在手動(dòng)模式下，用戶可直接發(fā)送指令，對(duì)單個(gè)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(cè)試，或針對(duì)特定電芯執(zhí)行定向均衡干預(yù)與微調(diào)。
2.自動(dòng)化主動(dòng)均衡算法
在自動(dòng)模式下，操作流程經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化以提升易用性：將電池包連接至系統(tǒng)、啟動(dòng)GUI軟件、建立與MCU的串行通信，然后點(diǎn)擊AUTO_ENABLE按鈕。此后，系統(tǒng)將自動(dòng)使所有16個(gè)電芯達(dá)到相同電壓水平，無(wú)需用戶進(jìn)一步干預(yù)。
圖3至圖5展示了在啟用自動(dòng)化均衡功能的情況下，三種不同運(yùn)行狀態(tài)（充電、放電、空閑）下電芯電壓的收斂過(guò)程。測(cè)試所用的電池包中包含16個(gè)鎳錳鈷(NMC)鋰離子電芯，每個(gè)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(cè)試開(kāi)始時(shí)均有意使電芯電壓處于不均衡狀態(tài)，以更好地展示主動(dòng)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(shí)，自動(dòng)均衡停止條件被觸發(fā)，實(shí)驗(yàn)隨即終止。
如圖3至圖5所示，啟用自動(dòng)化算法后，16個(gè)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(shí)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(dòng)化主動(dòng)均衡算法。
圖4.電池包通過(guò)10 ?大功率電阻放電，啟用自動(dòng)化主動(dòng)均衡算法。
圖5.電池包處于空閑狀態(tài)，啟用自動(dòng)化主動(dòng)均衡算法。
自動(dòng)化均衡算法的執(zhí)行邏輯
自動(dòng)化均衡算法以循環(huán)、順序的方式運(yùn)行：依次對(duì)16個(gè)電芯進(jìn)行均衡，之后重復(fù)該過(guò)程。它不會(huì)嘗試在一次循環(huán)中完全平衡單個(gè)電芯，而是采用輪詢策略，執(zhí)行多次短時(shí)間的均衡周期。這種方式可避免單個(gè)電芯的均衡停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，因?yàn)橥Ａ暨^(guò)長(zhǎng)會(huì)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(gè)電芯的均衡，還可能導(dǎo)致其他長(zhǎng)時(shí)間空閑的電芯面臨過(guò)充或過(guò)放風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)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(bǔ)的均衡方法：
1. 緩沖區(qū)均衡（2-9號(hào)電芯）——相對(duì)均衡
?計(jì)算緩沖區(qū)組（2-9號(hào)電芯）的平均電壓，記為Avg(2-9)。
?每個(gè)緩沖區(qū)電芯（2-9號(hào)）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(dú)立電芯均衡（1號(hào)、10-16號(hào)電芯）——絕對(duì)均衡
?計(jì)算全部16個(gè)電芯的電池包整體平均電壓，記為AvgALL。
?每個(gè)獨(dú)立電芯（1號(hào)、10-16號(hào)）均以AvgALL為基準(zhǔn)進(jìn)行均衡，向該電壓值靠攏。
無(wú)論是緩沖區(qū)電芯還是獨(dú)立電芯，其均衡方向（充電或放電）與均衡時(shí)長(zhǎng)，均由各個(gè)電芯電壓偏差的正負(fù)符號(hào)和偏差幅度決定。盡管均衡時(shí)長(zhǎng)大致與偏差幅度成正比，但不會(huì)出現(xiàn)單個(gè)電芯主導(dǎo)整個(gè)均衡過(guò)程的情況。算法通過(guò)短時(shí)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(guò)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(duì)均衡”與“獨(dú)立電芯絕對(duì)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?cè)谧鳛槠渌娦镜哪芰績(jī)?chǔ)備庫(kù)時(shí)，會(huì)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(guò)相對(duì)均衡，先讓緩沖區(qū)電芯電壓與Avg(2-9)對(duì)齊，再以緩沖區(qū)整體為獨(dú)立電芯充放電，系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)更快的整體收斂。在一個(gè)完整均衡周期結(jié)束時(shí)，Avg(2-9)與AvgALL可能并非完全一致，但會(huì)非常接近，從而確保整個(gè)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(cè)到異常情況，算法會(huì)跳過(guò)這一電芯，繼續(xù)處理下一個(gè)符合條件的電芯。
架構(gòu)設(shè)計(jì)原理與基于緩沖區(qū)的均衡機(jī)制
細(xì)心的讀者或許會(huì)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(gè)電芯之間實(shí)現(xiàn)真正的直接雙向能量傳輸，在實(shí)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(shí)現(xiàn)間接均衡。具體而言，電池包內(nèi)n個(gè)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(gè)連續(xù)電芯組成的模塊。
傳統(tǒng)設(shè)計(jì)依賴獨(dú)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(chǔ)的能量運(yùn)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(jì)復(fù)雜度。
本架構(gòu)與算法中的均衡過(guò)程通過(guò)兩步式能量傳輸實(shí)現(xiàn)。
1. 電芯到緩沖區(qū)放電：將過(guò)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(shí)現(xiàn)了雙向電芯間均衡，同時(shí)避開(kāi)了直接一對(duì)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(gè)電芯需要充電時(shí)，所需能量會(huì)從緩沖區(qū)電芯中統(tǒng)一獲取；反之，當(dāng)某個(gè)電芯需要放電時(shí)，其多余能量會(huì)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(dòng)均衡電路架構(gòu)圖。
臨時(shí)暫停和重新激活自動(dòng)均衡的條件
當(dāng)2到9號(hào)電芯相對(duì)Avg(2-9)的電壓偏差降至設(shè)定閾值（例如±3 mV）以下，且1號(hào)、10到16號(hào)電芯相對(duì)AvgALL的電壓偏差也處于同一閾值內(nèi)時(shí)，自動(dòng)化均衡過(guò)程會(huì)臨時(shí)暫停。此時(shí)，Avg(2-9)與AvgALL可能并非完全一致，但會(huì)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(dòng)化均衡算法在激活狀態(tài)下，會(huì)持續(xù)輪詢電池系統(tǒng)，判斷是否需要啟動(dòng)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(gè)電芯中最高電芯電壓與最低電芯電壓的差值超過(guò)10 mV時(shí)，啟動(dòng)均衡。
算法激活后，會(huì)持續(xù)運(yùn)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(guò)程過(guò)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(shí)，均衡才會(huì)重新激活，從而同時(shí)提升系統(tǒng)效率與使用壽命。
特殊注意事項(xiàng)
由于電芯電壓采樣線束與主動(dòng)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(dòng)均衡過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)電壓降。如圖7至10所示，該電壓降會(huì)影響電芯電壓測(cè)量的準(zhǔn)確性。因此，必須定期暫停主動(dòng)均衡，以獲取準(zhǔn)確的電壓讀數(shù)。
?如果暫停過(guò)于頻繁，會(huì)降低均衡效率。
?如果暫停間隔過(guò)長(zhǎng)，可能導(dǎo)致過(guò)度均衡。
在本架構(gòu)中，算法會(huì)根據(jù)觀測(cè)到的電壓偏差估算所需均衡時(shí)長(zhǎng)，例如每5 mV偏差對(duì)應(yīng)約1分鐘均衡時(shí)間。達(dá)到計(jì)算出的時(shí)長(zhǎng)后，均衡會(huì)自動(dòng)暫停以進(jìn)行準(zhǔn)確的電壓測(cè)量，隨后算法將決定下一步操作。
這種自適應(yīng)時(shí)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(jì)中，電流穩(wěn)定性通過(guò)直接從電池包獲取緩沖區(qū)電壓而非依賴外部電源來(lái)實(shí)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(huì)在均衡期間引入測(cè)量誤差，但也帶來(lái)了顯著優(yōu)勢(shì)：
?減少線束數(shù)量，簡(jiǎn)化布線，節(jié)省印刷電路板(PCB)空間。
?均衡期間觀測(cè)到的電壓降可作為運(yùn)行狀態(tài)指示器，幫助確認(rèn)主動(dòng)均衡電路是否正常工作。
圖7.主動(dòng)均衡功能未激活時(shí)，電芯電壓測(cè)量值保持穩(wěn)定。
圖8.主動(dòng)均衡運(yùn)行期間，為特定電芯充電時(shí)對(duì)電壓測(cè)量的影響。
圖9.主動(dòng)均衡運(yùn)行期間，為特定電芯放電時(shí)對(duì)電壓測(cè)量的影響。
圖10.主動(dòng)均衡運(yùn)行期間，均衡電流對(duì)電芯電壓測(cè)量的影響：左側(cè)為電芯充電，右側(cè)為電芯放電。
結(jié)語(yǔ)
本系列關(guān)于主動(dòng)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(jì)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(jì)要點(diǎn)，尤其是本主動(dòng)均衡方案中完整的軟件編程細(xì)節(jié)，無(wú)法在此一一詳述。本系列文章的核心愿景，是激發(fā)對(duì)電池主動(dòng)均衡技術(shù)懷有熱忱的工程師和電子愛(ài)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(yùn)用文中介紹的設(shè)計(jì)方案，也能以此為起點(diǎn)，深入鉆研、不斷拓展，通過(guò)持續(xù)創(chuàng)新，打造出既簡(jiǎn)潔又高效的主動(dòng)均衡解決方案。
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