两种比较实用的开关电容型电池电压主动均衡电路（电池组整体均衡）
先说一下事情的起因，最近看到一种电池，叫做钛酸锂，循环次数可以到20000多次，20000多次后容量也只下降了10%~20%，于是就在网上订了几个，想组一串24V的电池组。但是电池单体之间的均衡问题比较麻烦，之前做的4串磷酸铁锂26650，其中一个单体就因为过充/过放而损耗，电池开路，开路零电压，充电零电流。（之前组的单体有保护板，但是保护板不带均衡功能）于是就在某宝上搜主动均衡板，找到下面这种：
但是这种均衡板价格太贵了，那些店都串通好了，3串的统一卖78~80块钱，10~14串的将近卖300块钱，这个价格跟那种带蓝牙功能的BMS保护板的价格差不多了，太不划算了，于是就想能不能它的电路图给扒出来。然后就在网上找了又找，在XX论坛上找到了一个讨论这个的帖子，但帖子中的图片不注册会员不给看，注册会员还要给XX论坛的站长好几十几百块钱的注册费，而且据说他一旦看谁不顺眼就随意封号，太黑了。所以只好作罢，看看能不能在别处找到。于是在国外网站翻了又翻，找到一大堆评测视频，但那群老外竟然没有一个人抄这个板子，或者去思考这个主动均衡电路的原理。
于是只好自己想一下这个电路的原理图了，这之间就在手电论坛上找到了一个飞跨电容“搬运工”的帖子，里面的电路结构如下：
这种电路实现比较简单，但是有一个问题，就是这种电路仅能在相邻的两个电池单体之间转移能量，而不能在整组电池中的任意两个单体之间转移能量。于是只好对着淘宝上的电路板看，根据PCB上的走线推测它的电路图，根据推测的结果再在网上搜，终于找到了这个电路的原理，而且香港理工大学还发了一篇关于这个电路的论文：Modeling and Analysis of Series–Parallel Switched-Capacitor Voltage Equalizer for Battery/Supercapacitor Strings
主电路原来就是这样的，其实原理也挺简单的，真的就是等效并联原理：左边一竖条的开关与右边一竖条的开关互补，首先右边一竖条的开关全导通，各自的电容充到各自单体所对应的电压，然后右边一竖条开关关断，左边一竖条的开关导通，各个电容并联在一起，相互交换能量直到电压一致，然后左边一竖条的开关再关断，右边一竖条的开关再导通，各个电容与各个电池单体并联，根据电压差值交换能量，实现整体电池组中的各个单体之间的均衡。
主电路结构找到了，但是具体实现上还有一个问题，那就是这些开关管如何驱动呢？还有各个MOS管的方向是什么样的？于是又只好对着PCB图去猜测和分析，终于想出来了这种电路的驱动方式：自举驱动。具体的说明都在图片中。（每个电池单体最好也再并一个电容）
为了验证这种驱动方式和均衡方式的可行性，用超级电容代替电池，在仿真软件中做了仿真模拟：
仿真结果，可以看到各个超级电容的电压逐渐趋于一致：
这种方法的好处是：电容耐压低，电容耐压只要高于电池单体的电压即可。但是这种方法的一个比较明显的问题就是，这种方法所需的开关管的数量太多了，对于N个电池单体构成的电池组，需要4N个开关管。
所以，可否降低开关管的个数呢？于是找呀找，又找到一种电路，这种电路的结构和最初的那种只能在相邻单体之间转移能量的开关电容电路相似，都是一个电池单体并联一个半桥，但是电容的接法有些不同。这种电路是这两篇论文中提的：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，也是香港理工大学的论文。
这种电路结构是，每个电池单体并联两个MOSFET构成的半桥，每个半桥的输出中点接一个电容的一端，所有这样的电容的另一端接在一起，形成一个公共端。所有半桥的上管共用一个驱动信号，所有下管共用一个驱动信号，上下管驱动信号互补。这种方式相比于前面的那种方式，只需要2N个开关管（N为电池单体个数），同样可以实现从任意单体到任意单体能量转移的整体电池组的均衡，但所付出的代价是：电容耐压有所提高，对于以上的电路，电容的最高耐压为(N-1)Vbat/2。
这个电路的另一个有趣的一个方面是：这些另一端接在一起的电容中，其中任意一个电容可以省去，也就是说可以把公共端接在任意一个半桥的中点，如下图所示（图中的电容的右边那一端，可以理解为连在一起）：
在这种情况下，电路的工作原理无任何变化。但是，电容所需的耐压有所提高，并且各个电容的耐压值的分布情况会有所改变。这个现象有什么用呢？且看下文：
由于这种电路是开关电容型的变换器，因此电容容量越高，那么均衡的电流越大，因此要尽可能选择较大的电容，而较大的电容一般都是有极性的电解电容，无极性电容也有大容量的，但是其体积和成本较高。因此为了节约成本，应尽可能选取有极性电解电容，并且降低电容的耐压、减小电容的个数。为此，需要探究一下各个电容的极性。这里直接给出结论：
若电池单体串数N为偶数，电容个数为N个，则从上往下第1个半桥所连接的电容到第N/2个半桥所连接的电容的电压极性都是：左正右负，且越靠近中间电压越低。从第N/2+1个到第N个半桥所连接的电容的电压极性都是：左负右正，且越靠近中间电压越低。
若电池单体串数N为奇数，电容个数为N个，则从上往下第1个半桥所连接的电容到第(N+1)/2-1个半桥所连接的电容的电压极性都是：左正右负，且越靠近中间电压越低。中间的第(N+1)/2个半桥所连接的电容，电压值几乎为零。从第(N+1)/2+1个到第N个半桥所连接的电容的电压极性都是：左负右正，且越靠近中间电压越低。利用这种现象，若电池单体串数N为奇数，则可以直接将公共端连接在中间的一个半桥（第(N+1)/2个）的中点，这样降低了电容的个数。
简单的来说，就是，如果是偶数个电池串联，那么每个电容都要接；如果是奇数个电容串联，那么中间的那个电容不需要接，而是直接把那个半桥的输出端接到其它电容的公共端。按照上面的方式，可使所需电容的最高耐压变为最低。
在仿真软件中，对这种开关管数量更少的主动均衡电路做了一下验证，这里驱动方式是用的电容隔离，实际实现的时候一个驱动芯片可能带不动那么多MOS：
均衡波形如下图所示：
对比之前4N个开关的方案：
很明显，2N个开关的方案的均衡速率更高。
这两个主动均衡的电路的方案就是这样了，第一个方案要用4N个开关管，但是电容电压较低，可以用低耐压的电容，驱动电路也不是很复杂。第二个方案只需要用2N个开关管，但是电容所需耐压较高，而且这种电容隔离的驱动方案虽然在仿真模拟中发现是可行的，到实际中不知道是否可以。在均衡速度上，第二个电路的均衡速度高于第一个电路的均衡速度。
如果有商家愿意做第二个方案的成品均衡板拿出来卖，也欢迎，但是不要想着去申请专利，因为这种电路已经在论文中公开了，如果卖的话希望价格可以良心一点，不要卖那么贵。此外，对于第二个电路方案，如果有更好的驱动方式，欢迎讨论。
参考文献：
[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.
