news 2026/6/10 3:56:58

工商业储能系列: 主动均衡之集中式主动均衡＜双向隔离DCDC+开关矩阵＞

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张小明

前端开发工程师

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文章封面图
工商业储能系列: 主动均衡之集中式主动均衡＜双向隔离DCDC+开关矩阵＞

前言

在锂电池储能系统中，电芯之间存在难以避免的容量和内阻差异，形成“木桶效应”——最差的那节电芯限制了整个模组的可用容量，并加速整体衰减。主动均衡技术正是为了解决这一问题而生。

集中式主动均衡属于主动均衡的一种主流技术路线，其核心定义如下：

整个电池模组共享一个能量转换核心（如一个隔离型DC-DC变换器），通过开关矩阵选通目标单节电芯，实现能量在“单体电芯”与“整组总线”之间的双向流动。

传统被动均衡（通过电阻放电发热）与分布式主动均衡（每节电芯自带DC-DC）相比，集中式方案具有硬件成本相对可控、能量转移效率高、适合大容量簇级管理的优势。

本文集中式主动均衡采用单双向隔离DC/DC变换器（EMB1499Q）配合多路开关矩阵（EMB1428Q）时分复用架构，整个电池模组共享一个能量转换核心，通过开关矩阵选通单节电芯接入DC/DC，实现能量在"单体电芯↔模组总线（当前电池组总正/总负）"间双向无损转移（高SoC电芯放电回馈总线，或从总线取电充入低SoC电芯），而非电芯间直接转移。

关于电池均衡技术路线，请参考前文：工商业储能系列:电池均衡技术路线

核心定义

整个电池组共享一个能量转换核心（如一个隔离DC-DC变换器），通过开关矩阵选择目标电芯，实现能量在“单体”与“整组”之间双向流动。硬件架构可分为两种：

  • 双向DCDC变换器

本文将重点剖析双向DC-DC架构的代表性方案——TI公司EMB1499Q + EMB1428Q芯片组方案。

核心架构

以隔离型DC-DC变压器式（如双向反激变压器）为核心，构建一条公共的能量总线。任何一节电芯的高能量都可以通过变压器隔离地输送到这个总线上，再由总线给任何一节低能量电芯充电，实现“点对面”的能量转移。

整个系统由以下三部分组成：

  1. 能量转换核心：一颗双向DC-DC变换器（EMB1499Q）。负责将单节电芯能量与模组总线（总正/总负）之间进行高效转换，效率达87%。

  2. 开关矩阵：由多个EMB1428Q芯片驱动。负责选通目标电芯，并将电芯的正负极正确接入DC-DC次级侧。

  3. 控制单元：MCU通过SPI总线控制所有EMB1428Q，实现精确的时序逻辑与互锁保护。

关键优势：能量传递路径短、效率高，适合整簇级别的集中调度管理。

技术挑战：需要复杂的开关矩阵来选通特定电芯，尤其需要注意奇偶电芯的极性切换，控制复杂度和硬件成本高。

当下成为储能主流技术路线，成熟方案譬如：<TI EMB1499 + EMB1428>.如下图所示（仅参考架构，细节欠妥）。

Ref: <https://www.ti.com.cn/zh-cn/video/5232581175001>

  • 能量路径：能量通过DCDC在单节电芯↔[当前电池模组正负或者辅源12V/24V]之间转换，而非在电芯间直接转移。<一组<TI EMB1499 + EMB1428>对应所有电芯总正总负>,文末介绍。
  • 性能效率：均衡电流可达5A，官网效率可达87%。
  • 复杂度：MCU通过SPI实时精确控制，包含严格启动、超时（<8秒）和故障上报等。

该方案精妙之处在于：采用“多对一”的分时复用架构, 通过EMB1428Q控制的FET开关矩阵，将多个电池单元连接到一个共用的EMB1499Q DC-DC转换器上。通常6-12个电芯一组。

💥开关矩阵(Switch Matrix)：

包含两部分：电芯选择开关矩阵和极性选择开关矩阵

💎电芯选择开关矩阵

由一对NMOS背靠背串联构成，栅极G和源极S分别接入EMB1428Q（12个MOS控制接口）。

❓ 为什么必须使用“背靠背串联”的两个NMOS？

  • 问题：单个NMOS/PMOS内部都有一个寄生体二极管，无法通过栅极电压关断。

  • 现象：如果只用单个NMOS，当电流反向时，体二极管会导通，导致无法真正隔离该电芯。

  • 解决方案：将两个NMOS的源极（或漏极）连接在一起，形成背靠背结构。无论两端电压方向如何，总有一个MOS管处于反向截止状态，从而实现了电流的双向完全关断。

💡 为什么不用PMOS？PMOS成本高、导通电阻偏大、驱动复杂，因此工业级应用首选NMOS背靠背方案。

💎极性选择开关矩阵

由一对NMOS背靠背串联构成，栅极G和源极S分别接入EMB1428Q。

电芯选择开关NMOS和极性选择开关NMOS复用栅极G控制信号。

解决了电芯极性正负与DC-DC次级侧接入方向的匹配问题。

  • 背景：在串联电池组中，某一节电芯的正极和负极，不一定对应DC-DC次级侧的“V+”和“V-”。

  • 功能：将选中的电芯通过极性开关，以正确的极性接入EMB1499Q的反激副边。

  • 复用：极性选择开关的NMOS也复用EMB1428Q的栅极驱动信号。通过精确的互锁逻辑，防止同一时间有多个极性路径闭合，从而避免短路。

    EMB1428Q与EMB1499Q芯片组通过SPI总线接收单一指令进行控制。

✅方案一: 1 * EMB1428 + 1 *EMB 1429

EMB1428Q开关矩阵门极驱动集成电路（IC）专为与EMB1499Q DC-DC控制器IC配合工作而设计，用于支持TI在电池管理系统中基于开关矩阵的主动电芯均衡方案。EMB1428芯片可提供12通道浮空N型场效应晶体管（NFET）门极驱动器，用于对串联堆叠的最多七个电池电芯进行均衡。典型的电池管理系统（BMS）可管理最多14个电芯，因此两个电池单元可同时进行充放电操作。

EMB1499Q专为控制有源钳位正向拓扑而设计，具备双向（吸收或发射）控制充电电流的能力。

✅方案二: 多个EMB1428 + 1 * EMB 1429

多个EMB1428 IC可组合使用，以实现超过七个电池电芯堆叠的均衡。EMB1428不仅需要控制电芯选择开关矩阵的NMOS，还需要控制这些电芯对应的极性选择开关（4个NMOS组构成）。

根据芯片设计指南，为每个EMB1428Q配备一个专用的EMB1499Q。尽管这种配置无疑是一种可行的解决方案，但为了实现更低成本且整体尺寸更小的设计，可以变更方案：支持单个EMB1499Q与最多16个电芯共享。意味着一次只能对其中一个电芯（最多16个中一个）进行均衡，但整体解决方案的体积可以显著减小。

为将多个EMB1428Q极性总线连接至单个EMB1499Q次级电路，需在极性选择电路中反向并联增加一个额外的开关矩阵，以将FET的电压等级扩展至整个模块的电压。可以看到，在每个EMB1428Q开关矩阵电路中，额外添加一个反向并联的FET，其由Vg8、Vg9、Vg10和Vg11（根据需要）控制。

下图仅包含7个电芯，即每个EMB1428控制最多7个电芯主动均衡。16电芯主动均衡控制方案如下：

  1. EMB1428 #1 --> 7 电芯
  2. EMB1428 #2 --> 7 电芯
  3. EMB1428#3 --> 2 电芯
  4. EMB1499 -->上述3个EMB1428对应极性开关矩阵V+和V-同时并入Secondary side。

假定使用场景

设定均衡目标电芯，结合上图，阐述控制顺序。

🎯假设主动均衡Cell 1

选择Cell 1 --> 通过EMB1428控制G0和S0闭合Q1, G1和S1闭合Q2；

极性选择 --> 通过EMB1428控制G12和S12闭合P4, G9和S9闭合P1, 适配Cell 1极性; 同时互锁à禁止G9和S9闭合P1,禁止G11和S11闭合P3.

DCDC --> 通过EMB1499控制DCDC进行能量转换, 方向取决于过压或欠压。

🎯假设主动均衡Cell 2

选择Cell 2 --> 通过EMB1428控制G2和S2闭合Q3, G1和S1闭合Q2；

极性选择 --> 通过EMB1428控制G11和S11闭合P3, G10和S10闭合P2, 适配Cell 2极性;同时互锁à禁止G10和S10闭合P2,禁止G12和S12闭合P4.

DCDC --> 通过EMB1499控制DCDC进行能量转换，方向取决于过压或欠压。

注：系统属于“单通道分时复用”，禁止同时在当前组内多电芯同时均衡。

总结与适用边界

核心优势

  • 能量路径短：通过总线与单体双向流动，而非电芯间直接转移，效率高达87%（该数据来自TI官方，实际工程中建议预留余量）。

  • 成本可控：共享一个DC-DC核心，适合多串模组（16S~24S）。

  • 管理集中：软件控制逻辑清晰，便于系统监控与诊断。

核心限制

  • 分时复用瓶颈：同一时刻只能均衡一节电芯。在大容量、高倍率应用场景下，多节电芯同时需要均衡时，均衡时间可能较长。

  • 硬件复杂度：开关矩阵包含大量NMOS，对PCB布局、栅极驱动电流和互锁逻辑要求极高。

  • 防护要求：必须严格实施超时保护（如8秒无响应则关断）、故障上报和极性互锁，否则极易损坏模组。

适用场景

  • 储能系统（ESS）：户储、工商储、基站备电等。

  • 中低压电池管理：电动工具、低速电车（48V~144V）。

  • 高压簇级均衡：需结合其它技术（如分布式辅助）的混合方案。

版本说明

本文基于TI EMB1499Q与EMB1428Q芯片组datasheet（参考日期2024年）编写。不同批次或后续芯片版本（如EMB1429Q）可能有功能差异，请以官方最新手册为准。

未完待续。。。

下篇将详细介绍<基于单向DCDC变换器分布式主动均衡>

参考文章

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