【锂离子电池组的被动式电池均衡】电池组由两个并联的串联电池组成，每个并联串联都包含四个串联电池，目标是通过在电阻器上放电高SOC电池，直到所有电池的SOC相等附Simulink仿真

原创于 2025-11-19 22:33:48 发布 · 697 阅读

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🔥 内容介绍

在现代科技领域，锂离子电池组作为一种高效能量存储解决方案，被广泛应用于电动汽车、便携式电子设备以及可再生能源系统等多种场景。然而，由于电池制造工艺、内阻差异以及充放电条件不均等因素，电池组中各个单体电池的荷电状态（SOC）往往会随着时间和使用而出现不一致。这种不一致性不仅会降低电池组的整体可用容量，缩短其循环寿命，甚至可能引发安全隐患。因此，电池均衡技术应运而生，旨在解决电池组中单体电池间SOC不一致的问题。本文将深入探讨一种常见的均衡方法——被动式电池均衡，并结合一个具体的电池组配置（由两个并联的串联电池组成，每个并联串联都包含四个串联电池）来阐述其工作原理、实现方式以及优缺点。

电池不一致性及其危害

锂离子电池组通常由多个单体电池串联和/或并联组成。理想情况下，所有单体电池应具有相同的容量、内阻和自放电率。但在实际生产和使用过程中，这些参数的微小差异会逐渐累积，导致电池组在充放电循环中出现以下问题：

容量利用率降低
：在充电过程中，SOC最高的电池会率先达到充满状态，此时充电过程不得不停止，即使其他电池尚未完全充满。同理，在放电过程中，SOC最低的电池会率先达到放电截止电压，从而导致整个电池组停止放电，即使其他电池仍有剩余能量。这使得电池组的整体可用容量远低于其理论容量。
循环寿命缩短
：不均衡的充放电会导致部分电池长期处于过充或过放状态。过充会加速正极材料的结构劣化，产生析锂现象，而过放则可能导致负极材料铜箔溶解。这些都会不可逆地损伤电池性能，显著缩短电池组的循环寿命。
安全隐患增加
：过充和过放是锂离子电池发生热失控的主要诱因之一。电池内部的化学反应在极端充放电条件下会变得不稳定，可能导致电池发热、冒烟甚至起火爆炸，对使用者和设备造成严重威胁。

因此，为了确保电池组的高效、安全和长寿命运行，电池均衡技术是不可或缺的。

被动式电池均衡原理

被动式电池均衡是一种相对简单且成本较低的均衡方法，其核心思想是通过消耗高SOC电池的能量，使其SOC逐渐降低，直至与电池组中其他电池的SOC相匹配。这通常通过在电池两端并联一个电阻器来实现。

以本文提出的电池组配置为例：一个由两个并联的串联电池组成，每个并联串联都包含四个串联电池。这意味着电池组共有8个单体电池，它们被分为两个4串电池组，然后再进行并联。为了实现均衡，每个单体电池都需要配备相应的均衡电路。

其基本工作原理如下：

电压检测
：电池管理系统（BMS）持续监测电池组中每个单体电池的电压。由于电压与SOC之间存在一定的对应关系（尽管受温度、电流等因素影响），BMS可以根据电压数据估算每个电池的SOC。
均衡启动条件
：当BMS检测到某个电池的电压或SOC显著高于电池组中其他电池的平均值，并超过预设的均衡阈值时，均衡过程就会被触发。
能量耗散
：BMS会激活高SOC电池两端的均衡电路，通常是一个由开关（如MOSFET）控制的放电电阻。电流会流过这个电阻，将高SOC电池储存的电能以热量的形式耗散掉。
持续监测与调整
：均衡过程会持续进行，BMS会不断监测所有电池的SOC，并根据需要动态调整均衡策略，例如关闭已均衡的电池的放电回路，或启动其他高SOC电池的均衡回路。这个过程会一直持续，直到所有单体电池的SOC达到预设的均衡目标，即所有电池的SOC相等。

被动式电池均衡的实现方式

在实际应用中，被动式电池均衡的实现方式多种多样，但主要可以归结为以下几种类型：

固定电阻均衡
：这是最简单的被动均衡方式，每个电池并联一个固定电阻。当电池电压达到一定值时，通过开关将电阻接入回路。这种方式的缺点是均衡电流固定，均衡速度较慢，且在低SOC差异时可能产生不必要的能量损耗。
可控电阻均衡
：为了提高均衡效率，可以采用可控电阻，例如通过PWM（脉宽调制）技术来控制均衡电阻的等效阻值，从而调节均衡电流。这样可以在保证均衡效果的同时，尽量减少能量损耗。
旁路均衡
：在某些设计中，均衡电路会直接旁路高SOC电池，使其在充电或放电过程中承受较小的电流，从而让其他电池有机会“追赶”上来。这种方式在一定程度上可以避免直接的能量耗散。

针对“两个并联的串联电池组成，每个并联串联都包含四个串联电池”的电池组配置，每个串联的4节电池组都需要独立的电压检测和均衡控制单元。由于是并联结构，两个4串电池组之间的均衡可以通过整体充放电控制或者更复杂的跨组均衡来实现，但单体电池之间的均衡仍然主要依赖于每个电池独立的被动均衡电路。

被动式电池均衡的优缺点

优点：

电路简单，成本较低
：相较于主动式均衡，被动式均衡的电路设计相对简单，组件数量少，因此制造成本较低，适用于对成本敏感的应用。
控制算法简单
：其控制算法主要是基于电压阈值的开关控制，实现难度较低。
易于集成
：均衡电路可以很容易地集成到电池管理系统中。

缺点：

能量损耗大
：将多余能量通过电阻以热量形式耗散掉，导致能量的浪费，降低了电池组的整体能量效率。在高SOC差异或长时间均衡的情况下，能量损耗会非常显著。
均衡速度慢
：均衡电流通常较小，均衡过程所需时间较长，特别是在大容量电池组或SOC差异较大的情况下，可能无法满足快速均衡的需求。
均衡精度有限
：由于电压受多种因素影响，仅凭电压判断SOC可能存在误差，从而影响均衡的精确性。
发热问题
：电阻耗散能量会产生热量，如果散热设计不当，可能导致电池组局部温度升高，影响电池性能甚至引发安全问题。

结论

被动式电池均衡作为一种成熟且广泛应用的电池均衡技术，在解决锂离子电池组单体电池不一致性方面发挥着重要作用。尽管存在能量损耗大、均衡速度慢等缺点，但其电路简单、成本低廉的优点使其在许多应用场景中仍具有吸引力。针对“由两个并联的串联电池组成，每个并联串联都包含四个串联电池”的特定电池组配置，通过在每个单体电池上实现基于电阻放电的被动均衡，可以有效地将高SOC电池的能量耗散掉，从而逐步实现所有电池SOC的平衡。

然而，随着锂离子电池技术的发展和应用需求的提高，对电池均衡效率和精度的要求也越来越高。在未来，被动式均衡技术可能会与主动式均衡技术相结合，或者采用更先进的控制策略来优化其性能，以期在保证成本效益的同时，进一步提升电池组的整体性能、循环寿命和安全性。