? ? ? ??先說一下事情的起因，最近看到一種電池，叫做鈦酸鋰，循環(huán)次數(shù)可以到20000多次，20000多次后容量也只下降了10%~20%，于是就在網(wǎng)上訂了幾個，想組一串24V的電池組。但是電池單體之間的均衡問題比較麻煩，之前做的4串磷酸鐵鋰26650，其中一個單體就因為過充/過放而損耗，電池開路，開路零電壓，充電零電流。（之前組的單體有保護板，但是保護板不帶均衡功能）于是就在某寶上搜主動均衡板，找到下面這種：

? ? ? ??但是這種均衡板價格太貴了，那些店都串通好了，3串的統(tǒng)一賣78~80塊錢，10~14串的將近賣300塊錢，這個價格跟那種帶藍牙功能的BMS保護板的價格差不多了，太不劃算了，于是就想能不能它的電路圖給扒出來。然后就在網(wǎng)上找了又找，在XX論壇上找到了一個討論這個的帖子，但帖子中的圖片不注冊會員不給看，注冊會員還要給XX論壇的站長好幾十幾百塊錢的注冊費，而且據(jù)說他一旦看誰不順眼就隨意封號，太黑了。所以只好作罷，看看能不能在別處找到。于是在國外網(wǎng)站翻了又翻，找到一大堆評測視頻，但那群老外竟然沒有一個人抄這個板子，或者去思考這個主動均衡電路的原理。

? ? ? ??于是只好自己想一下這個電路的原理圖了，這之間就在手電論壇上找到了一個飛跨電容“搬運工”的帖子，里面的電路結(jié)構(gòu)如下：

? ? ? ??這種電路實現(xiàn)比較簡單，但是有一個問題，就是這種電路僅能在相鄰的兩個電池單體之間轉(zhuǎn)移能量，而不能在整組電池中的任意兩個單體之間轉(zhuǎn)移能量。于是只好對著淘寶上的電路板看，根據(jù)PCB上的走線推測它的電路圖，根據(jù)推測的結(jié)果再在網(wǎng)上搜，終于找到了這個電路的原理，而且香港理工大學(xué)還發(fā)了一篇關(guān)于這個電路的論文：Modeling and Analysis of Series–Parallel Switched-Capacitor Voltage Equalizer for Battery/Supercapacitor Strings

? ? ? ??主電路原來就是這樣的，其實原理也挺簡單的，真的就是等效并聯(lián)原理：左邊一豎條的開關(guān)與右邊一豎條的開關(guān)互補，首先右邊一豎條的開關(guān)全導(dǎo)通，各自的電容充到各自單體所對應(yīng)的電壓，然后右邊一豎條開關(guān)關(guān)斷，左邊一豎條的開關(guān)導(dǎo)通，各個電容并聯(lián)在一起，相互交換能量直到電壓一致，然后左邊一豎條的開關(guān)再關(guān)斷，右邊一豎條的開關(guān)再導(dǎo)通，各個電容與各個電池單體并聯(lián)，根據(jù)電壓差值交換能量，實現(xiàn)整體電池組中的各個單體之間的均衡。

? ? ? ??主電路結(jié)構(gòu)找到了，但是具體實現(xiàn)上還有一個問題，那就是這些開關(guān)管如何驅(qū)動呢？還有各個MOS管的方向是什么樣的？于是又只好對著PCB圖去猜測和分析，終于想出來了這種電路的驅(qū)動方式：自舉驅(qū)動。具體的說明都在圖片中。（每個電池單體最好也再并一個電容）

? ? ? ??為了驗證這種驅(qū)動方式和均衡方式的可行性，用超級電容代替電池，在仿真軟件中做了仿真模擬：

? ? ? ??仿真結(jié)果，可以看到各個超級電容的電壓逐漸趨于一致：

? ? ? ??這種方法的好處是：電容耐壓低，電容耐壓只要高于電池單體的電壓即可。但是這種方法的一個比較明顯的問題就是，這種方法所需的開關(guān)管的數(shù)量太多了，對于N個電池單體構(gòu)成的電池組，需要4N個開關(guān)管。

? ? ? ??所以，可否降低開關(guān)管的個數(shù)呢？于是找呀找，又找到一種電路，這種電路的結(jié)構(gòu)和最初的那種只能在相鄰單體之間轉(zhuǎn)移能量的開關(guān)電容電路相似，都是一個電池單體并聯(lián)一個半橋，但是電容的接法有些不同。這種電路是這兩篇論文中提的：Topology, Modeling, and Design of Switched-Capacitor-Based Cell Balancing Systems and Their Balancing Exploration、A Switched-Coupling-Capacitor Equalizer for Series-Connected Battery Strings，也是香港理工大學(xué)的論文。

? ? ? ??這種電路結(jié)構(gòu)是，每個電池單體并聯(lián)兩個MOSFET構(gòu)成的半橋，每個半橋的輸出中點接一個電容的一端，所有這樣的電容的另一端接在一起，形成一個公共端。所有半橋的上管共用一個驅(qū)動信號，所有下管共用一個驅(qū)動信號，上下管驅(qū)動信號互補。這種方式相比于前面的那種方式，只需要2N個開關(guān)管（N為電池單體個數(shù)），同樣可以實現(xiàn)從任意單體到任意單體能量轉(zhuǎn)移的整體電池組的均衡，但所付出的代價是：電容耐壓有所提高，對于以上的電路，電容的最高耐壓為(N-1)Vbat/2。

? ? ? ??這個電路的另一個有趣的一個方面是：這些另一端接在一起的電容中，其中任意一個電容可以省去，也就是說可以把公共端接在任意一個半橋的中點，如下圖所示（圖中的電容的右邊那一端，可以理解為連在一起）：

? ? ? ??在這種情況下，電路的工作原理無任何變化。但是，電容所需的耐壓有所提高，并且各個電容的耐壓值的分布情況會有所改變。這個現(xiàn)象有什么用呢？且看下文：

? ? ? ??由于這種電路是開關(guān)電容型的變換器，因此電容容量越高，那么均衡的電流越大，因此要盡可能選擇較大的電容，而較大的電容一般都是有極性的電解電容，無極性電容也有大容量的，但是其體積和成本較高。因此為了節(jié)約成本，應(yīng)盡可能選取有極性電解電容，并且降低電容的耐壓、減小電容的個數(shù)。為此，需要探究一下各個電容的極性。這里直接給出結(jié)論：

? ? ? ??若電池單體串?dāng)?shù)N為偶數(shù)，電容個數(shù)為N個，則從上往下第1個半橋所連接的電容到第N/2個半橋所連接的電容的電壓極性都是：左正右負(fù)，且越靠近中間電壓越低。從第N/2+1個到第N個半橋所連接的電容的電壓極性都是：左負(fù)右正，且越靠近中間電壓越低。

? ? ? ??若電池單體串?dāng)?shù)N為奇數(shù)，電容個數(shù)為N個，則從上往下第1個半橋所連接的電容到第(N+1)/2-1個半橋所連接的電容的電壓極性都是：左正右負(fù)，且越靠近中間電壓越低。中間的第(N+1)/2個半橋所連接的電容，電壓值幾乎為零。從第(N+1)/2+1個到第N個半橋所連接的電容的電壓極性都是：左負(fù)右正，且越靠近中間電壓越低。利用這種現(xiàn)象，若電池單體串?dāng)?shù)N為奇數(shù)，則可以直接將公共端連接在中間的一個半橋（第(N+1)/2個）的中點，這樣降低了電容的個數(shù)。

? ? ? ? 簡單的來說，就是，如果是偶數(shù)個電池串聯(lián)，那么每個電容都要接；如果是奇數(shù)個電容串聯(lián)，那么中間的那個電容不需要接，而是直接把那個半橋的輸出端接到其它電容的公共端。按照上面的方式，可使所需電容的最高耐壓變?yōu)樽畹汀?/p>

? ? ? ? 在仿真軟件中，對這種開關(guān)管數(shù)量更少的主動均衡電路做了一下驗證，這里驅(qū)動方式是用的電容隔離，實際實現(xiàn)的時候一個驅(qū)動芯片可能帶不動那么多MOS：

? ? ? ? 均衡波形如下圖所示：

? ? ? ? 對比之前4N個開關(guān)的方案：

? ? ? ?很明顯，2N個開關(guān)的方案的均衡速率更高。

? ? ? ? 這兩個主動均衡的電路的方案就是這樣了，第一個方案要用4N個開關(guān)管，但是電容電壓較低，可以用低耐壓的電容，驅(qū)動電路也不是很復(fù)雜。第二個方案只需要用2N個開關(guān)管，但是電容所需耐壓較高，而且這種電容隔離的驅(qū)動方案雖然在仿真模擬中發(fā)現(xiàn)是可行的，到實際中不知道是否可以。在均衡速度上，第二個電路的均衡速度高于第一個電路的均衡速度。

? ? ? ? 如果有商家愿意做第二個方案的成品均衡板拿出來賣，也歡迎，但是不要想著去申請專利，因為這種電路已經(jīng)在論文中公開了，如果賣的話希望價格可以良心一點，不要賣那么貴。此外，對于第二個電路方案，如果有更好的驅(qū)動方式，歡迎討論。

參考文獻：

[1] Y. Ye and K. W. E. Cheng, "Modeling and Analysis of Series–Parallel Switched-Capacitor Voltage Equalizer for Battery/Supercapacitor Strings," IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, vol. 3, no. 4, pp. 977-983, Dec. 2015.

[2] Y. Ye, K. W. E. Cheng, Y. C. Fong, X. Xue and J. Lin, "Topology, Modeling, and Design of Switched-Capacitor-Based Cell Balancing Systems and Their Balancing Exploration," IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 32, no. 6, pp. 4444-4454, June 2017.

[3] Y. Shang, B. Xia, F. Lu, C. Zhang, N. Cui and C. C. Mi, "A Switched-Coupling-Capacitor Equalizer for Series-Connected Battery Strings," IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 32, no. 10, pp. 7694-7706, Oct. 2017.