主動平衡器最大化延長汽車電池組運(yùn)行時間

由串聯(lián)、高能量密度、高峰值功率鋰聚合物或鋰鐵磷酸 (LiFePO4) 電池組成的大型電池組被普遍應(yīng)用于全電動 (EV 或者 BEV) 、混合燃?xì)?/ 電動汽車 (HEV 和插電式混合電動汽車或 PHEV)、以至儲能系統(tǒng) (ESS) 中。據(jù)預(yù)測，電動汽車市場對大規(guī)模串聯(lián) / 并聯(lián)電池組的需求將越來越大。2016 年全球 PHEV 銷量為 77.5 萬臺 [資料來源：EVvolumes.com]，預(yù)計(jì) 2017 年將達(dá)到 113 萬臺。然而，雖然對高容量電池的需求日益增長，電池價(jià)格依然很高，是 EV 或 PHEV 中價(jià)格最高的組件，能行駛幾百公里的電池價(jià)格基本都超過 10,000 美元。對付高成本的策略可以是通過使用低成本 / 翻新電池來減輕成本壓力，但隨之而來的問題是，這類電池會有較大的容量不匹配問題，這會減少可使用時間，或者縮短一次充電后的行駛距離。即使是成本更高、質(zhì)量更好的電池也會老化，而不斷的重復(fù)使用會導(dǎo)致電池失配。有兩種方式可以提高具不匹配電池之電池組的容量，第一種方式是一開始就采用比較大的電池，這種做法非常不符合成本效益;第二種方式是主動平衡，這種新技術(shù)可以恢復(fù)電池組的電池容量，而且正日漸普及。

串聯(lián)連接的所有電池需要保持平衡

平衡的電池是指一個電池組中的每節(jié)電池都具備相同的電荷狀態(tài) (SoC)。SoC 是指個別電池隨著充電和放電，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。所有電池都需要保持在某個 SoC 范圍之內(nèi)，以避免受損或壽命縮短。應(yīng)用的不同可容許的 SoC 最小值和最大值也會不同。在最重視電池運(yùn)行時間的應(yīng)用中，所有電池都可以在 20% 的 SoC 最小值和 100% 的最大值 (滿充電狀態(tài)) 之間工作。而就要求電池壽命最長的應(yīng)用而言，可能將SoC范圍限制在 30% 最小值和 70% 最大值之間。在電動型汽車和電網(wǎng)存儲系統(tǒng)中，這些數(shù)值是典型的SoC 限制，電動型汽車和電網(wǎng)存儲系統(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。

采用串聯(lián) / 并聯(lián)電池陣列時，并聯(lián)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(dǎo)通路，那么在并聯(lián)連接的電池之間，電荷狀態(tài)就會自動平衡。串聯(lián)連接電池的電荷狀態(tài)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，或者電池之間阻抗不同、自放電速率或加載之不同，SoC 會逐步發(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，但是累積起來的失配會越來越大，除非對電池進(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，在一個各節(jié)電池具有嚴(yán)密匹配之容量的電池組中，運(yùn)用被動或耗散電荷平衡方案足以使 SoC 重新達(dá)到平衡。

如圖 1a 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，在電池組內(nèi)部產(chǎn)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。由于另一個常見的容量失配，無源平衡還缺乏有效地應(yīng)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?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 1b 和 1c 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丟失的容量。

圖 1：典型的電池平衡拓?fù)?/p>

電池之間的失配能大幅度地縮短運(yùn)行時間

電池之間無論是容量還是 SoC 之間的失配都可能嚴(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電池都是平衡。

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(dá)到預(yù)定的 SoC 限制為止。如果 SoC 值限制在 30% 至 70% 之間，而且沒有進(jìn)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(jié)電池的 SoC 相同，但是在放電時，無法防止第 10 節(jié)電池在其他電池之前達(dá)到其 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(shí)現(xiàn)容量恢復(fù)，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(dǎo)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(fù)。在穩(wěn)定狀態(tài)使用時，當(dāng)電池組從 70% SoC 的“滿”再充電狀態(tài)放電時，實(shí)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(zhuǎn)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(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(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)

高效率雙向平衡提供最強(qiáng)的容量恢復(fù)能力

LTC3300-2 (參見圖 4) 是一個新產(chǎn)品，專門為滿足高性能有源平衡的需求而設(shè)計(jì)。LTC3300-2 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 IC 都能同時平衡多達(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：LTC3300-2 高效率雙向多節(jié)電池有源平衡器

SoC 平衡通過在一節(jié)選定的電池和一個由多達(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 LTC3300-2 的系統(tǒng)處理器來應(yīng)對。電荷從一個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。LTC3300-2 具有一個兼容 SPI 總線的串行端口。器件可以使用數(shù)字隔離器并聯(lián)進(jìn)行連接。多個器件由 A0 至 A4 引腳確定的器件地址唯一標(biāo)識。在 LTC3300-2 上，四個引腳組成串行接口：CSBI、SCKI、SDI 和 SDO。如果需要，SDO 和 SDI 引腳可以連接在一起以形成單個雙向端口。 器件地址由五個地址引腳 (A0 至 A4) 進(jìn)行設(shè)置。 所有串行通信相關(guān)引腳都是電壓模式，參考電壓為 VREG 和 V- 電源。

LTC3300-2 中的每個平衡器都采用非隔離的邊界模式同步反激式電源級，以實(shí)現(xiàn)對每一節(jié)電池的高效率充電和放電。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(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)量僅受外部組件擊穿電壓的限制。在相應(yīng)的外部開關(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電阻器設(shè)定為高達(dá) 10 安培以上。高效率是通過同步工作以及組件的恰當(dāng)選擇實(shí)現(xiàn)的。每個平衡器都是通過 BMS 的系統(tǒng)處理器啟動的，而且平衡器將保持啟動狀態(tài)，直至 BMS 發(fā)出停止的命令或指示檢測到故障。

平衡器效率事關(guān)緊要!

電池組面對的大敵之一是熱量。高環(huán)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(tǒng)中，平衡電流也必須很高，以延長運(yùn)行時間或?qū)崿F(xiàn)電池組的快速充電。如果平衡器的效率不高，就會在電池系統(tǒng)內(nèi)部導(dǎo)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(yùn)行的平衡器之?dāng)?shù)量來解決，或通過采用昂貴的降低熱量方法來應(yīng)對。如圖 5 所示，LTC3300-2 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，這反過來又可產(chǎn)生更有效的容量恢復(fù)和更快速的充電。

圖 5：LTC3300-2 的電源級性能

結(jié)論

雖然諸如電動汽車和 PHEV 等新型應(yīng)用的發(fā)展十分迅猛，但消費(fèi)者對于長工作壽命及可靠運(yùn)作的期待卻并未改變。對于汽車，不管采用電池還是汽油作為動力，人們都期望其在使用 5 年以上之后不出現(xiàn)任何可察覺的性能劣化。就 EV 和 PHEV 而言，性能等同于以電池為動力時的可行駛距離。EV 和 PHEV 供應(yīng)商不僅必須提供很高的電池性能，而且還要提供多年的質(zhì)保期，保證車輛具備合理的最低行駛距離以使自身擁有足夠的競爭力。隨著電動汽車數(shù)量的不斷攀升及使用年限的增加，電池組內(nèi)部的不規(guī)則電池老化逐漸成為一個持續(xù)存在的問題，而且是導(dǎo)致運(yùn)行時間縮短的主要根源。串接式電池的工作時間始終受限于電池組中容量最低的那節(jié)電池。只是一節(jié)弱電池就會殃及整個電池組。對于汽車供應(yīng)商來說，由于車輛行駛距離不足而依照質(zhì)保條款要為客戶更換或整修電池是一種成本非常昂貴的主張。為了避免承受如此高昂的代價(jià)，可以采用較大和較貴的電池，或者運(yùn)用高性能的主動平衡器 (例如：LTC3300-2) ，以補(bǔ)償由于電池的不均勻老化而引起電池之間的容量失配問題。一個嚴(yán)重失配的電池組利用了 LTC3300-2 后，它的運(yùn)行時間與一個具相同平均電池容量的完全匹配電池組幾乎相同。