电动汽车续航打折、电池寿命缩水？串联电池组的“木桶效应”是关键症结——容量不一致会加速老化，传统被动均衡太慢，主动均衡又成本高企。
本文提出的高性能被动电池管理系统（BMS）给出了破局方案：专为4节串联磷酸铁锂电池设计，均衡电流高达750mA，比主流方案快近4倍；电压监测误差低于0.12%，兼顾精度与可靠性；更支持CAN接口远程监控，实时掌握电池状态。值得关注的是，成本仅35美元，远低于商用主动式BMS。
这意味着电动汽车电池组能更快实现均衡，延长使用寿命并提升安全性，同时大幅降低管理系统成本，为普及高性能电动车扫除关键障碍，为汽车行业电池管理提供了高效低成本的解决方案。
【研究背景】
磷酸铁锂电池凭借安全性高、循环寿命长等优势，成为汽车领域的主流选择。然而，串联电池组的电压不一致问题，会导致部分电池过充或过放，这是缩短电池寿命、引发安全隐患的关键原因。
被动均衡因结构简单、成本低成为主流方案，但传统设计的均衡电流仅150-200mA，对大容量电池组而言，均衡往往需要数十小时，严重影响使用效率和寿命管理。主动均衡虽快，却因电路复杂、成本高（通常50美元以上）难以普及。
如何在低成本下实现快速均衡？本研究设计的新型被动BMS给出了答案：通过电路优化将均衡电流提升至750mA（为传统方案的4倍），同时保留被动方案的低成本优势（仅35美元），还集成了CAN接口实现远程监控，有效兼顾效率、成本与实用性。
【主要内容】
1. 材料与方法
本文设计并实现了一种被动式电池管理系统（BMS），用于实现4节串联汽车级磷酸铁锂电池的均衡，可在充放电过程中完成电池均衡。该BMS的框图如图1所示，每节电池均配备独立的均衡电路和电压监测电路。微控制器负责采集电池电压、控制均衡电路，并通过控制器局域网（CAN）接口将电压数据发送至远程监控端。7V电源电路为均衡电路和电压监测电路供电，5V电源电路则为微控制器和CAN接口供电。
图1. 所提出的电池管理系统（BMS）框图
所采用的磷酸铁锂电池为中国航空锂电池有限公司（CALB）的CA180FA，适用于混合动力汽车（HEV）和纯电动汽车（EV），其标称容量180Ah（0.3C下）、标称电压3.2V，详细参数见表1。该电池的开路电压（OCV）与荷电状态（SOC）呈强非线性关系，10%-90%SOC区间内OCV变化范围为0.2V（3.15V至3.35V），超出此范围则向截止电压骤变。
电压监测电路基于德州仪器的INA149AIDR高共模电压差分放大器，可将电池正负极的差分电压转换为以BMS地为参考的单端电压，支持2.5V-3.65V的磷酸铁锂电池电压范围，且符合AEC-Q100 Grade 1汽车标准（-40℃至125℃）。
均衡电路核心组件为ADUM4121ARIZ隔离栅极驱动器和CSD15577Q3A N沟道功率MOSFET，工作温度范围-40℃至150℃，适用于汽车领域。等效电阻约5Ω，电池电压在2.5V-3.65V截止电压范围内时，理论均衡电流为0.5A-0.73A。
电源电路包括7V降压DC-DC转换器（基于LM5085-Q1控制器）和5V低压差（LDO）稳压器（LM7805S），分别为模拟电路和数字电路供电。
微控制器电路采用Microchip的ATMEGA328P-AU（AEC-Q100 Grade 1），负责采集4节串联电池的电压（通过10位ADC）、控制均衡电路及CAN接口，其ADC分辨率为4.883mV。 CAN接口电路由MCP2515控制器和TJA1050T收发器组成，支持500kbps传输速率，可实现电池电压的远程监控。
软件通过C代码实现，完成电压采集（每节电池取10个样本平均值并校准）、均衡控制（电压高于最小值25mV时启动对应均衡电路）及CAN传输（10位ADC数据分两次8位传输）。
该BMS的整体 schematic 分为模拟部分（含降压转换器、电压监测和均衡电路）和数字部分（含微控制器、CAN接口和5V LDO），对应两块印刷电路板（PCB），可单独测试以加快验证进程。
2. 结果
首个验证装置采用CA180FA型磷酸铁锂电池，数字电路PCB通过插针连接于模拟电路PCB上方，构成完整BMS系统，与串联的磷酸铁锂电池组相连且无外接负载。
降压转换器输出电压实测为6.97V，理论值6.976V，相对误差0.086%，符合设计预期；LDO稳压器输出电压实测5.009V，理论值5V，相对误差0.18%，工作正常。
首先通过软件校准消除电压监测电路受偏移电压和连接导线影响的误差。磷酸铁锂电池校准数据（表2）显示，校准后微控制器采集的电压值与实际值偏差显著降低。表3验证了校准效果，全程均衡过程中电压测量相对误差控制在0.03%-0.12%，远低于未校准的0.4%-1.23%。
软件校准后测试均衡电路，1号和3号电池的均衡指示灯亮起，因其电压比最小值（2号电池3.284V）高至少25mV，符合均衡算法条件。表4显示，两电池的实测均衡电流与理论值相对误差分别为0.95%和1.23%，误差源于键合线电阻，仍体现系统高性能。图2显示，1号和3号电池电压向2号、4号趋近，36小时完成均衡，验证了均衡功能有效性。
图2. 磷酸铁锂电池随时间的均衡过程
为验证兼容性，采用3000mAh的18650锂离子电池（标称电压3.7V，截止电压3.0-4.2V）搭建测试平台。图3显示，1号和4号电池电压向3号（最低）、2号趋近，分别在13分钟和20分钟达到均衡停止条件，初始均衡电流为749.4mA和754.4mA，证明系统适用于锂离子电池。
图3. 18650锂离子电池随时间的均衡过程
CAN传输验证中，CANH和CANL端子接示波器，报文含SOF、标识符（0x601）等字段，以500kbps速率传输8字节电池电压数据，实现远程监控，符合现代BMS特性。
3. 讨论
讨论部分主要通过与过往研究对比，分析了本文提出的被动式BMS的性能、优势、局限及成本特性。
在性能对比方面，文中提及多项过往研究成果：2019年Nizam等人的被动式BMS适用于3节串联磷酸铁锂电池，电压测量相对误差0.367%-0.535%，最大均衡电流200mA；同年Xu等人的系统用于12节串联锂离子电池，电压误差0%-0.166%，但未提及均衡电流；2022年Ramelan等人的BMS支持4节串联锂离子电池，电压监测误差7.5%，最大均衡电流150mA；同年Canilang等人的被动式模块化BMS适用于4节串联锂离子电池，电压误差0.028%-0.051%，最大均衡电流110mA。
相比之下，本文提出的被动式BMS展现出显著优势：电压监测误差0.03%-0.12%，虽略高于Canilang等人系统的0.051%，但两者绝对电压差异可忽略；均衡电流达750mA，是其他系统的近4倍，大幅提升均衡速度；且具备电池电压的CAN传输功能，实现远程监控，这是过往系统均未具备的特性。
同时，该系统也存在一定局限：磷酸铁锂电池完全均衡需36小时，但这符合被动均衡架构的特性，且实际汽车应用中均衡可在多次充电循环中逐步进行，能缓解长时间均衡的影响；在大规模电池配置中，被动均衡电阻的功耗可能随电池数量增加而过大，引发热管理挑战和能量效率下降，限制其在大型电动汽车电池组中的适用性；高均衡电流虽缩短均衡时间，但可能给电池带来长期应力，加速内阻增加、局部发热等退化过程，未来需优化快速均衡与电池寿命的平衡。
在成本方面，该BMS采用分立架构，无需复杂集成方案，却支持高精度监测和CAN通信等关键功能，总成本仅35美元，远低于商用主动式BMS（50-100美元以上），在成本、监测精度和均衡性能间实现了良好平衡，适合以经济性为主要约束的应用场景。
4. 总结
本研究成功打造了一款车规级被动式电池管理系统（BMS），专为 4 节串联的 CA180FA 磷酸铁锂电池设计，凭借三大核心优势重新定义了被动方案的性能边界：
750mA 高速均衡：较传统被动 BMS（150-200mA）快进 4 倍，36 小时完成大容量磷酸铁锂电池均衡，20 分钟即可平衡 18650 锂离子电池组，彻底解决 “均衡慢” 的行业痛点；
0.12% 高精度监测：通过专业芯片与软件校准，电压测量误差控制在极低水平，为电池安全保驾护航；
35 美元超低成本：采用模块化分立设计，成本仅为商用主动 BMS 的 1/3，同时集成 CAN 远程监控（500kbps），兼顾实用性与经济性。
这一方案完美平衡了性能与成本，既保留了被动均衡的简单可靠，又突破了其效率瓶颈，为电动汽车、混合动力汽车等领域提供了极具落地价值的电池管理解决方案。
期待业界关注与合作，共同推动这项技术产业化，助力新能源产业降本增效 —— 让高性能电池管理不再是高价特权！
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