前几天碰到知乎上有人原文复制我的文章发表在自己的主页上，一方面开心有人认可，另一方面也觉得抄作业不告诉我有些不爽，于是被迫在图片上增加水印，虽然对阅读体验有一定影响，但是应该不大。电池在加工过程中，由于工艺和材料的先天因素，以及电池在后期使用过程中每个电池所处的温度、湿度等环境的细微区别，不同的电池肯定不可能是完全相同的，电池包内部的电池单体在使用过程中会逐渐形成一定SOC差异，这个SOC的差异从直观上反应就是电池的电压会逐渐的不同。另外一个重要的原因是由于电池自身由于极板活性物质脱落，上下极板之间的电位差，导致电池不可避免的存在一定的自放电。而且因为工艺的不同，自放电率也不一样。因此可以得出一个结论——电池是有差异的。基于这个前提我们来讨论电池的均衡。组合在一起的电池就像一个木桶模型，充放电都受限于最短的那一环。假设电池包中某个电池的SOC高于其他单体，在充电过程中这节电池会率先充满，导致其他单体还没达到额定容量的时候就停止充电了；同理假设某节电池的SOC低于其他单体，则在放电过程中会首先达到放电的截止电压，从而导致其他单体还有剩余容量无法进行释放。
所以有效的电池均衡不仅能够提高电池包的有效容量，也能在某种程度上提高电池包的寿命，因此我们必须做均衡。均衡电路在设计上有多种实现方式，从对能量的消耗程度上分为耗散型均衡和非耗散型均衡，通常情况下也将这两种均衡方式称作被动均衡和主动均衡。从下面这两个图里面很容易解释什么是被动均衡，什么是主动均衡。如果几个电池的容量不一致，将剩余容量多的电池的电量放掉一些，这样就能实现所有电池的电压一致了，这就是被动均衡，我个人理解就是：“先穷带垮后穷，最后实现一起贫困”，这就是被动均衡了。
被动均衡
如果几个电池的剩余容量不一致，将电量较多的电池里面的电充给电量较少的电池里面去，这就是主动均衡，主动均衡没有造成电量的浪费，真正实现了邓小平总书记的理想：“先富带动后富，最后实现共同富裕”。
单纯从上面的解释来看，主动均衡多好啊，不仅实现了资源的合理分配，而且从早期各家芯片厂商提供的解决方案来看，主动均衡的速度要比被动均衡快很多，毕竟充电的时候没有那么多额外的热损耗，可以将充电电流做的很大，而被动均衡则是将所有多出的容量都放掉，也就是通过电阻转换成热能，发热比较严重也就限制了被动均衡的速率。但是鉴于目前新能源汽车电池的一致性越做越好，电池在长时间使用后的散差其实很小，因此目前所有量产的新能源乘用车的均衡方式都是被动均衡。这种情况的一个重要原因不仅是因为电池的一致性好，还有一点就是：它便宜啊！主动均衡为什么贵，为什么应用少我就不深入解释了，这方案估计很长一段时间可能都不会去用它。被动均衡原则上就是将电池的电量转换为热能，也就是通过电阻放掉，在最早之前的BMS设计中，就是通过一个芯片控制一个MOSFET的开关来实现对电池的均衡。就是如下图这种电路，通过对MOSFET的操作来实现均衡功能。下图左侧是一个电池的最简易的模型，R1~R6是电池的内阻，因为内阻的存在，当均衡开启的时候，均衡电流会在内阻上形成一定的压降，因此如果在进行均衡的时候去测量电池的电压，测量值会较真实值偏低。因此在进行电压测量的时候，需要在测量的那一时刻关断均衡功能。这种形式的均衡方式有一个优点就是能够同时开启所有电池的均衡通道，如果有多个电池需要放电的时候，能够以最快的速度同时进行放电，当然这种方式的缺点就是每个通道都需要配备一个不便宜的MOSFET，成本会比较高。
外置MOSFET的被动均衡
因为MOSFET的导通阻抗比较低，在进行均衡的时候MOSFET自身的发热很小，主要的发热都是电阻产生的。因此在最近两年的新方案中，芯片厂商将MOSFET集成到芯片内部，进一步降低了芯片外围器件的成本，也就是下图这种方式。但下图这种方式有一个缺点，每条线上的均衡电阻都是上下两个电池共用的，因此在均衡的时候，无法同时对相邻的两个电池进行均衡，最大能够同时均衡的数量是总数的一半，因此一般称之为奇偶对开的均衡方式。这种均衡方式的优点就是：便宜！因为集成在芯片内部的MOSFET，成本肯定是比外置的MOSFET要低很多的。
内置MOSFET的被动均衡
在进行被动均衡的时候，我们的电池采样线是与均衡线共用一条导线通道的，因此会存在一些耦合的情况，我们经常遇到的情况有以下几种：
在刚开始做BMS的时候，那会懂的东西很少，发现一旦开启均衡，电压的采样误差就会变大，后来才了解到，电池不是理想的电池，而是有一定内阻的。因此我们在设计软件的时候，需要将均衡和采样避开。因为就是电池有内阻，当均衡开启的时候，均衡电流流经电池的内阻，会形成一定的压降，导致电池的采样误差变大。在凌特（现在被ADI收购了）早先的芯片里面，有一个标志位，可以在进行电压采样的时候关断均衡，这样就能实现均衡与电压采样实现解耦，测试的时候发现电压采样的误差基本上没什么劣化。而现在的芯片，虽然也有同样的标志位，但是实测貌似不太靠谱，很多时候是需要通过软件的任务调度来实现均衡和采样的解耦，基本流程就是均衡的时候屏蔽采样，采样的时候关断均衡。而由于硬件上的一些处理措施，导致采样的时间比较长，损耗了很多均衡的时间，因此在进行采样的时候同步进行均衡，实际均衡的时间会大打折扣。对于上面提到的外置均衡MOS和内置均衡MOS，相对来说外置均衡MOS更好控制一点，因为每个通道都是独立控制且相互不受影响的。而内置MOS相当于打了个擦边球，相邻通道的均衡没办法同时打开，会损耗掉相当一部分的均衡效率。我们来计算一下这两种方式下均衡电阻产生的热量，为方便计算，我们以凌特的上一代采样芯片为例，一个芯片12个采样通道，并且假设以单体电池电压4V时均衡电流要求达到100mA这个目标为基准进行评估。假设MOS导通阻抗为0，电池为理想电池。对于第一种外置MOS的方式，12个通道同时开启均衡的时候，每个通道100mA的电流，均衡电阻就是40Ω。如下图所示的图例就是这种外置MOS的模型，均衡电阻的发热功率为0.1A*0.1A*40Ω=0.4W。12个通道就是4.8W。
对于第二种内置MOS的方式，计算方法需要修改一下，因为12个通道的耦合关系，只能实现奇偶对开，无法将所有通道同时打开，相当于均衡的时间小了一半，又要均衡的效果不变。那么为了达到100mA的均衡电流的目标，在奇通道或者偶通道开启的时候，均衡电流需要增大一倍，那么如下图的模型所示。
奇通道开启的时候，流经电阻的电流为200mA，6个通道一共12个电阻在发热，单个电阻的瞬时功率为0.2A*0.2A*10Ω=0.4W，12个电阻就是4.8W。
而在奇偶对开的时候，处于两个电池中间的电阻，会经历奇通道开启的正向电流，也会经历偶通道开启时的负向电流。那它的发热功率是否更大了呢？答案是没有，它一直保持200mA的均衡电流，也就是0.4W的功率，始终在整个均衡的过程中发光发热。
所以掌握这个前提，在相同均衡电流的前提下，均衡电阻的发热功率与奇偶对开没有关系，我们来设计我们的电阻散热结构，不管是通过PCB自己散热，还是通过导热胶将电阻的发热导到结构件上辅助散热，都需要做好充足的裕量，保障芯片不过热。
在做项目的过程中，很多时候别人做的并不一定是对的，要对自己分析验证过的方案有信心，才是正向开发的第一步。
