【導(dǎo)讀】對(duì)串聯(lián)連接的電池組來(lái)說(shuō)，確保其安全工作、防止電池過(guò)早老化或損壞的關(guān)鍵除了仔細(xì)控制電池充電并監(jiān)視電池之外，還有一項(xiàng)額外的要求，就是“電池平衡”。因此本文就串聯(lián)連接電池的有源平衡給出了相應(yīng)的解決方案。
現(xiàn)在，在電動(dòng)汽車(chē)到電網(wǎng)負(fù)載均衡系統(tǒng)的各種應(yīng)用中，大型、高壓、可再充電電池系統(tǒng)是常見(jiàn)的電源。這些大型電池組由眾多單節(jié)電池串聯(lián)/并聯(lián)陣列組成，能存儲(chǔ)大量能量(數(shù)十千瓦小時(shí))。鋰聚合物或磷酸鐵鋰(LiFePO4)電池是常見(jiàn)的技術(shù)選擇，因?yàn)檫@類(lèi)電池能量密度高，能提供很高的峰值功率。在單節(jié)電池應(yīng)用中，仔細(xì)控制電池充電并監(jiān)視電池是確保安全工作、防止電池過(guò)早老化或損壞的關(guān)鍵。不過(guò)，與單節(jié)電池系統(tǒng)不同的是，對(duì)串聯(lián)連接的電池組提出了一項(xiàng)額外的要求，這就是“電池平衡”。
所有的串聯(lián)連接電池必須保持電荷平衡
當(dāng)一個(gè)電池組中的每節(jié)電池具備相同的電荷狀態(tài)（SoC）時(shí)，這些電池就是“平衡”的。SoC指的是隨著個(gè)別電池充電和放電，目前相對(duì)于其最大容量的剩余容量。例如：一個(gè)剩余容量為5A-hr的10A-hr電池具有50%的SoC。所有的電池都必須保持在某個(gè)SoC范圍之內(nèi)以避免受損或壽命縮短。可容許的SoC最小值和最大值因應(yīng)用而異。在最重視電池運(yùn)行時(shí)間的應(yīng)用中，所有電池都可以在20%的SoC最小值和100%的最大值(滿(mǎn)充電狀態(tài))之間工作。而就要求電池壽命最長(zhǎng)的應(yīng)用而言，可能將SoC范圍限制在30%最小值和70%最大值之間。在電動(dòng)汽車(chē)和電網(wǎng)存儲(chǔ)系統(tǒng)中，這些數(shù)值是典型的SoC限制，電動(dòng)汽車(chē)和電網(wǎng)存儲(chǔ)系統(tǒng)使用非常大和非常昂貴的電池，更換費(fèi)用極高。電池管理系統(tǒng)(BMS)的主要作用是仔細(xì)監(jiān)視電池組中的所有電池，確保每一節(jié)電池的充電或放電都不超出該應(yīng)用充電狀態(tài)限制的最小值和最大值。
在采用串聯(lián)/并聯(lián)電池陣列時(shí)，并聯(lián)連接電池會(huì)相互自動(dòng)平衡，這種假定一般來(lái)說(shuō)是對(duì)的。也就是說(shuō)，隨著時(shí)間推移，只要電池接線(xiàn)端子之間存在傳導(dǎo)通路，那么在并聯(lián)連接的電池之間，電荷狀態(tài)就會(huì)自動(dòng)平衡。串聯(lián)連接電池的電荷狀態(tài)會(huì)隨著時(shí)間變化而分化，這種假定也是對(duì)的，這么說(shuō)有幾個(gè)原因。由于電池組各處溫度變化率的不同，或者不同電池之間阻抗、自放電速率或加載的不同，SoC會(huì)逐步發(fā)生變化。盡管電池組的充電和放電電流往往使電池之間的這些差異顯得不那么重要，但是累積起來(lái)的失配會(huì)越來(lái)越大，除非對(duì)電池進(jìn)行周期性的平衡。之所以要實(shí)現(xiàn)串聯(lián)連接電池的電荷平衡，最基本的原因就是補(bǔ)償各節(jié)電池SoC的逐步變化。通常，在一個(gè)各節(jié)電池具有嚴(yán)密匹配容量的電池組中，運(yùn)用被動(dòng)或耗散電荷平衡方案足以使SoC重新達(dá)到平衡。
如圖1(a)所示，無(wú)源平衡簡(jiǎn)單，而且成本低廉。不過(guò)，無(wú)源平衡速度非常慢，會(huì)在電池組內(nèi)部產(chǎn)生不想要的熱量，而平衡是通過(guò)降低所有電池的余留容量，以與電池組中SoC值最低的電池相匹配。由于另一個(gè)常見(jiàn)的問(wèn)題“容量失配”，無(wú)源平衡還缺乏有效應(yīng)對(duì)SoC誤差的能力。隨著老化，所有電池的容量都會(huì)減小，而且電池容量減小的速率往往是不同的，原因與之前所述的類(lèi)似。因?yàn)榱鬟M(jìn)和流出所有串聯(lián)電池的電池組電流是相等的，所以電池組的可用容量由電池組中容量最小的電池決定。只有采用有源平衡方法(例如圖1(b)和圖1(c)中所示的那些方法)才能向電池組各處重新分配電荷，以及補(bǔ)償由于不同電池之間的失配而導(dǎo)致容量的減小。
電池之間的失配將導(dǎo)致電池組容量損失
電池之間無(wú)論是容量還是 SoC 之間的失配都可能?chē)?yán)重縮短電池組的可用容量，除非這些電池是平衡。要最大限度地提高電池組的容量，就要求在電池組充電和電池組放電時(shí)，電池都是平衡的。
在圖2所示的例子中，電池組由10節(jié)電池串聯(lián)組成，每節(jié)電池的容量均為100A-hr (標(biāo)稱(chēng)值)，容量最小的電池與容量最大的電池之間的容量誤差為±10%，對(duì)該電池組充電或放電，直至達(dá)到預(yù)定的SoC限制為止。如果SoC值限制在30% 至70% 之間，而且沒(méi)有進(jìn)行容量平衡，那么在一個(gè)完整的充電/ 放電周期之后，相對(duì)于這些電池的理論可用容量，可用電池組容量降低了25%。在電池組充電階段，無(wú)源平衡從理論上可以讓每節(jié)電池的SoC相同，但是在放電時(shí)，無(wú)法防止第10節(jié)電池在其他電池之前達(dá)到30%的SoC值。即使在電池組充電時(shí)采用無(wú)源平衡，在電池組放電時(shí)也會(huì)顯著“丟失”容量 (容量不可用)。只有有源平衡解決放案才能實(shí)現(xiàn)“容量恢復(fù)”，有源平衡解決方案在電池組放電時(shí)，從SoC值較高的電池向SoC值較低的電池重新分配電荷。
圖2：由于電池之間的失配而導(dǎo)致電池組容量損失的例子
圖3 說(shuō)明了怎樣采用“理想的”有源平衡，使由于電池之間的失配而“丟失”的容量得到 100% 的恢復(fù)。在穩(wěn)定狀態(tài)使用時(shí)，當(dāng)電池組從 70% SoC 的“滿(mǎn)”再充電狀態(tài)放電時(shí)，實(shí)際上必須從第 1 號(hào)電池 (容量最高的電池) 取出所存儲(chǔ)的電荷，將其轉(zhuǎn)移到第 10 號(hào)電池 (容量最低的電池)，否則，第 10 號(hào)電池會(huì)在其他電池之前達(dá)到其 30% 的最低 SoC 點(diǎn)，而且電池組放電必須停止，以防止進(jìn)一步縮短壽命。類(lèi)似地，在充電階段，電荷必須從第 10 號(hào)電池移走，并重新分配給第 1 號(hào)電池，否則第 10 號(hào)電池會(huì)首先達(dá)到其 70% 的 SoC 上限，而且充電周期必須停止。在電池組工作壽命期的某時(shí)點(diǎn)上，電池老化的差異將不可避免地導(dǎo)致電池之間的容量失配。只有有源平衡解決方案才能實(shí)現(xiàn)“容量恢復(fù)”，這種解決方案按照需要，從 SoC 值高的電池向 SoC 值低的電池重新分配電荷。要在電池組的壽命期內(nèi)實(shí)現(xiàn)最大的電池組容量，就需要采用有源平衡解決方案，以高效率地給每節(jié)電池充電和放電，在電池組各處保持 SoC 平衡。
圖3：用理想有源平衡實(shí)現(xiàn)容量恢復(fù)
[page]高效率雙向平衡提供最強(qiáng)的容量恢復(fù)能力
LTC3300 (參見(jiàn)圖4) 是一個(gè)新產(chǎn)品，專(zhuān)門(mén)為滿(mǎn)足高性能有源平衡的需求而設(shè)計(jì)。LTC3300 是一款高效率、雙向有源平衡控制IC，是高性能BMS的關(guān)鍵組件。每個(gè) IC 都能同時(shí)平衡多達(dá)6 節(jié)串聯(lián)連接的鋰離子 (Li-Ion) 或磷酸鐵鋰 (LiFePO4) 電池。
圖4：LTC3300高效率雙向多節(jié)電池有源平衡器
SoC 平衡通過(guò)在一節(jié)選定的電池和一個(gè)由多達(dá) 12 節(jié)或更多節(jié)相鄰電池構(gòu)成的子電池組之間重新分配電荷來(lái)實(shí)現(xiàn)。平衡決策和平衡算法必須由單獨(dú)的監(jiān)視器件以及控制 LTC3300 的系統(tǒng)處理器來(lái)應(yīng)對(duì)。電荷從一個(gè)指定電池重新分配給由 12 節(jié)或更多相鄰電池組成的電池組，以給該電池放電。類(lèi)似地，從 12 節(jié)或更多相鄰電池組成的電池組將電荷轉(zhuǎn)移給一個(gè)指定的電池，以給該電池充電。所有平衡器可能同時(shí)在任一方向上工作，以最大限度地縮短電池組的平衡時(shí)間。所有平衡控制命令都通過(guò)一個(gè)可疊置和噪聲裕度很大的串行 SPI 接口提供給每個(gè) IC，對(duì)電池組的高度沒(méi)有限制。
LTC3300 中的每個(gè)平衡器都采用非隔離式、邊界模式同步反激式電源級(jí)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)每一節(jié)電池的高效率充電和放電 (參見(jiàn)圖 5)。6 個(gè)平衡器中的每一個(gè)都需要自己的變壓器。每個(gè)變壓器的“主”端跨接在接受平衡的電池上，“副”端跨接在 12 節(jié)或更多相鄰電池上，包括接受平衡的電池。副端上電池的數(shù)量?jī)H受外部組件擊穿電壓的限制。在相應(yīng)的外部開(kāi)關(guān)和變壓器調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，電池的充電和放電電流可由外部檢測(cè)電阻器設(shè)定為高達(dá) 10 安培以上的值。通過(guò)主端和副端組件進(jìn)行的排序和 IPEAK / IZERO 電流檢測(cè)取決于平衡器是否啟動(dòng)以給電池充電或放電。高效率是通過(guò)同步工作以及組件的恰當(dāng)選擇實(shí)現(xiàn)的。每個(gè)平衡器都是通過(guò) BMS 的系統(tǒng)處理器啟動(dòng)的，而且平衡器將保持啟動(dòng)狀態(tài)，直至 BMS發(fā)出停止的命令，或指示檢測(cè)到故障。
圖5：雙向反激式電源級(jí)的工作
[page]平衡器高效對(duì)電池組至關(guān)重要
電池組面對(duì)的大敵之一是熱量。高環(huán)境溫度會(huì)快速縮短電池壽命并降低其性能。不幸的是，在大電流電池系統(tǒng)中，平衡電流也必須很高，以延長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間或?qū)崿F(xiàn)電池組的快速充電。如果平衡器的效率不高，就會(huì)在電池系統(tǒng)內(nèi)部導(dǎo)致不想要的熱量，而且這個(gè)問(wèn)題必須通過(guò)減少能在給定時(shí)間運(yùn)行的平衡器之?dāng)?shù)量來(lái)解決，或通過(guò)采用昂貴的降低熱量方法來(lái)應(yīng)對(duì)。如圖 6 所示，LTC3300 在充電和放電方向?qū)崿F(xiàn)了>90% 的效率，與具備相同平衡器功耗、效率為 80% 的解決方案相比，這允許平衡電流提高一倍多。此外，更高的平衡器效率允許更有效地重新分配電荷，這反過(guò)來(lái)又可產(chǎn)生更有效的容量恢復(fù)和更快速的充電。
圖6：LTC3300的電源級(jí)性能
局部電池負(fù)責(zé)完成大部分的平衡工作
整個(gè)電池組內(nèi)的電荷轉(zhuǎn)移是通過(guò)使副端接線(xiàn)交錯(cuò)(如圖7所示)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。以這種方式進(jìn)行交錯(cuò)將允許電荷在任何一組電池(6 節(jié))與一組相鄰電池之間來(lái)回轉(zhuǎn)移。請(qǐng)注意，相鄰的電池在電池組中既可以位于上方也可以位于下方。當(dāng)優(yōu)化某種平衡算法時(shí)這種靈活性是有幫助的。關(guān)于任何交錯(cuò)式系統(tǒng)存在著一種常見(jiàn)的誤解：將電荷從一個(gè)非常高電池組的頂端重新分配至底端其效率一定是極低的，這是因?yàn)閷㈦姾蓮碾姵亟M頂端移至底端需要進(jìn)行大量的轉(zhuǎn)換。然而，如圖7中給出的實(shí)例所示，大多數(shù)平衡只是通過(guò)在與那些需要電荷平衡的電池最靠近的電池之間的電荷重新分配來(lái)完成的。含10個(gè)或更多電池的副端電池組使得一個(gè)電荷不足的電池(若不補(bǔ)充電荷則其將限制整個(gè)電池組工作時(shí)間)簡(jiǎn)單地通過(guò)運(yùn)行一個(gè)平衡器就能恢復(fù)其“丟失”容量的90%以上。因此，利用LTC3300的交錯(cuò)式拓?fù)鋵o(wú)需把電荷從電池組的頂端一路轉(zhuǎn)移至底端，大多數(shù)的平衡工作都是由相鄰的局部電池完成的。
圖7：交錯(cuò)式連接和電荷轉(zhuǎn)移性能
電池安全性是第一位
除了提供卓越的電氣性能，LTC3300 雙向有源平衡器還提供眾多安全功能，以防止平衡時(shí)出現(xiàn)差錯(cuò)，并保持最高的可靠性。數(shù)據(jù)完整性檢查 (對(duì)所有傳入和傳出的數(shù)據(jù)、看門(mén)狗定時(shí)器、數(shù)據(jù)回讀等進(jìn)行 CRC 校驗(yàn)) 防止平衡器響應(yīng)無(wú)意間發(fā)出或錯(cuò)誤的命令。可編程伏-秒箝位確保在平衡時(shí)的電流檢測(cè)故障不會(huì)導(dǎo)致電流失控情況。逐節(jié)電池的過(guò)壓和欠壓檢查以及副端過(guò)壓檢測(cè)可防止在平衡時(shí)突然發(fā)生的電池線(xiàn)束故障而導(dǎo)致?lián)p壞電路。
這些特性使 LTC3300 能在串連連接的電池系統(tǒng)中提供高性能和可靠的有源平衡。隨著這類(lèi)系統(tǒng)中的電池老化或需要更換，日益重要的是補(bǔ)償所產(chǎn)生的電池容量失配，以防止進(jìn)一步影響運(yùn)行時(shí)間、充電時(shí)間或電池組的壽命。LTC3300 專(zhuān)門(mén)用來(lái)應(yīng)對(duì)這種挑戰(zhàn)，能使設(shè)計(jì)師實(shí)現(xiàn)全新的安全性和充電效率。
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