【導讀】對串聯連接的電池組來說，確保其安全工作、防止電池過早老化或損壞的關鍵除了仔細控制電池充電并監視電池之外，還有一項額外的要求，就是“電池平衡”。因此本文就串聯連接電池的有源平衡給出了相應的解決方案。
現在，在電動汽車到電網負載均衡系統的各種應用中，大型、高壓、可再充電電池系統是常見的電源。這些大型電池組由眾多單節電池串聯/并聯陣列組成，能存儲大量能量(數十千瓦小時)。鋰聚合物或磷酸鐵鋰(LiFePO4)電池是常見的技術選擇，因為這類電池能量密度高，能提供很高的峰值功率。在單節電池應用中，仔細控制電池充電并監視電池是確保安全工作、防止電池過早老化或損壞的關鍵。不過，與單節電池系統不同的是，對串聯連接的電池組提出了一項額外的要求，這就是“電池平衡”。
所有的串聯連接電池必須保持電荷平衡
當一個電池組中的每節電池具備相同的電荷狀態（SoC）時，這些電池就是“平衡”的。SoC指的是隨著個別電池充電和放電，目前相對于其最大容量的剩余容量。例如：一個剩余容量為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SoC范圍之內以避免受損或壽命縮短。可容許的SoC最小值和最大值因應用而異。在最重視電池運行時間的應用中，所有電池都可以在20%的SoC最小值和100%的最大值(滿充電狀態)之間工作。而就要求電池壽命最長的應用而言，可能將SoC范圍限制在30%最小值和70%最大值之間。在電動汽車和電網存儲系統中，這些數值是典型的SoC限制，電動汽車和電網存儲系統使用非常大和非常昂貴的電池，更換費用極高。電池管理系統(BMS)的主要作用是仔細監視電池組中的所有電池，確保每一節電池的充電或放電都不超出該應用充電狀態限制的最小值和最大值。
在采用串聯/并聯電池陣列時，并聯連接電池會相互自動平衡，這種假定一般來說是對的。也就是說，隨著時間推移，只要電池接線端子之間存在傳導通路，那么在并聯連接的電池之間，電荷狀態就會自動平衡。串聯連接電池的電荷狀態會隨著時間變化而分化，這種假定也是對的，這么說有幾個原因。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會逐步發生變化。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，但是累積起來的失配會越來越大，除非對電池進行周期性的平衡。之所以要實現串聯連接電池的電荷平衡，最基本的原因就是補償各節電池SoC的逐步變化。通常，在一個各節電池具有嚴密匹配容量的電池組中，運用被動或耗散電荷平衡方案足以使SoC重新達到平衡。
如圖1(a)所示，無源平衡簡單，而且成本低廉。不過，無源平衡速度非常慢，會在電池組內部產生不想要的熱量，而平衡是通過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。由于另一個常見的問題“容量失配”，無源平衡還缺乏有效應對SoC誤差的能力。隨著老化，所有電池的容量都會減小，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似。因為流進和流出所有串聯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，以及補償由于不同電池之間的失配而導致容量的減小。
電池之間的失配將導致電池組容量損失
電池之間無論是容量還是 SoC 之間的失配都可能嚴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，電池都是平衡的。
在圖2所示的例子中，電池組由10節電池串聯組成，每節電池的容量均為100A-hr (標稱值)，容量最小的電池與容量最大的電池之間的容量誤差為±10%，對該電池組充電或放電，直至達到預定的SoC限制為止。如果SoC值限制在30% 至70% 之間，而且沒有進行容量平衡，那么在一個完整的充電/ 放電周期之后，相對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，無源平衡從理論上可以讓每節電池的SoC相同，但是在放電時，無法防止第10節電池在其他電池之前達到30%的SoC值。即使在電池組充電時采用無源平衡，在電池組放電時也會顯著“丟失”容量 (容量不可用)。只有有源平衡解決放案才能實現“容量恢復”，有源平衡解決方案在電池組放電時，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致電池組容量損失的例子
圖3 說明了怎樣采用“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。在穩定狀態使用時，當電池組從 70% SoC 的“滿”再充電狀態放電時，實際上必須從第 1 號電池 (容量最高的電池) 取出所存儲的電荷，將其轉移到第 10 號電池 (容量最低的電池)，否則，第 10 號電池會在其他電池之前達到其 30% 的最低 SoC 點，而且電池組放電必須停止，以防止進一步縮短壽命。類似地，在充電階段，電荷必須從第 10 號電池移走，并重新分配給第 1 號電池，否則第 10 號電池會首先達到其 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點上，電池老化的差異將不可避免地導致電池之間的容量失配。只有有源平衡解決方案才能實現“容量恢復”，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實現最大的電池組容量，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：用理想有源平衡實現容量恢復
[page]高效率雙向平衡提供最強的容量恢復能力
LTC3300 (參見圖4) 是一個新產品，專門為滿足高性能有源平衡的需求而設計。LTC3300 是一款高效率、雙向有源平衡控制IC，是高性能BMS的關鍵組件。每個 IC 都能同時平衡多達6 節串聯連接的鋰離子 (Li-Ion) 或磷酸鐵鋰 (LiFePO4) 電池。
圖4：LTC3300高效率雙向多節電池有源平衡器
SoC 平衡通過在一節選定的電池和一個由多達 12 節或更多節相鄰電池構成的子電池組之間重新分配電荷來實現。平衡決策和平衡算法必須由單獨的監視器件以及控制 LTC3300 的系統處理器來應對。電荷從一個指定電池重新分配給由 12 節或更多相鄰電池組成的電池組，以給該電池放電。類似地，從 12 節或更多相鄰電池組成的電池組將電荷轉移給一個指定的電池，以給該電池充電。所有平衡器可能同時在任一方向上工作，以最大限度地縮短電池組的平衡時間。所有平衡控制命令都通過一個可疊置和噪聲裕度很大的串行 SPI 接口提供給每個 IC，對電池組的高度沒有限制。
LTC3300 中的每個平衡器都采用非隔離式、邊界模式同步反激式電源級，以實現對每一節電池的高效率充電和放電 (參見圖 5)。6 個平衡器中的每一個都需要自己的變壓器。每個變壓器的“主”端跨接在接受平衡的電池上，“副”端跨接在 12 節或更多相鄰電池上，包括接受平衡的電池。副端上電池的數量僅受外部組件擊穿電壓的限制。在相應的外部開關和變壓器調節范圍內，電池的充電和放電電流可由外部檢測電阻器設定為高達 10 安培以上的值。通過主端和副端組件進行的排序和 IPEAK / IZERO 電流檢測取決于平衡器是否啟動以給電池充電或放電。高效率是通過同步工作以及組件的恰當選擇實現的。每個平衡器都是通過 BMS 的系統處理器啟動的，而且平衡器將保持啟動狀態，直至 BMS發出停止的命令，或指示檢測到故障。
圖5：雙向反激式電源級的工作
[page]平衡器高效對電池組至關重要
電池組面對的大敵之一是熱量。高環境溫度會快速縮短電池壽命并降低其性能。不幸的是，在大電流電池系統中，平衡電流也必須很高，以延長運行時間或實現電池組的快速充電。如果平衡器的效率不高，就會在電池系統內部導致不想要的熱量，而且這個問題必須通過減少能在給定時間運行的平衡器之數量來解決，或通過采用昂貴的降低熱量方法來應對。如圖 6 所示，LTC3300 在充電和放電方向實現了>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，這反過來又可產生更有效的容量恢復和更快速的充電。
圖6：LTC3300的電源級性能
局部電池負責完成大部分的平衡工作
整個電池組內的電荷轉移是通過使副端接線交錯(如圖7所示)來實現的。以這種方式進行交錯將允許電荷在任何一組電池(6 節)與一組相鄰電池之間來回轉移。請注意，相鄰的電池在電池組中既可以位于上方也可以位于下方。當優化某種平衡算法時這種靈活性是有幫助的。關于任何交錯式系統存在著一種常見的誤解：將電荷從一個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，這是因為將電荷從電池組頂端移至底端需要進行大量的轉換。然而，如圖7中給出的實例所示，大多數平衡只是通過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完成的。含10個或更多電池的副端電池組使得一個電荷不足的電池(若不補充電荷則其將限制整個電池組工作時間)簡單地通過運行一個平衡器就能恢復其“丟失”容量的90%以上。因此，利用LTC3300的交錯式拓撲將無需把電荷從電池組的頂端一路轉移至底端，大多數的平衡工作都是由相鄰的局部電池完成的。
圖7：交錯式連接和電荷轉移性能
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，以防止平衡時出現差錯，并保持最高的可靠性。數據完整性檢查 (對所有傳入和傳出的數據、看門狗定時器、數據回讀等進行 CRC 校驗) 防止平衡器響應無意間發出或錯誤的命令。可編程伏-秒箝位確保在平衡時的電流檢測故障不會導致電流失控情況。逐節電池的過壓和欠壓檢查以及副端過壓檢測可防止在平衡時突然發生的電池線束故障而導致損壞電路。
這些特性使 LTC3300 能在串連連接的電池系統中提供高性能和可靠的有源平衡。隨著這類系統中的電池老化或需要更換，日益重要的是補償所產生的電池容量失配，以防止進一步影響運行時間、充電時間或電池組的壽命。LTC3300 專門用來應對這種挑戰，能使設計師實現全新的安全性和充電效率。
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