采用主動(dòng)平衡技術(shù)提高電動(dòng)汽車電池效率和壽命

　　節(jié)能環(huán)保一直是人們熱議話題，電動(dòng)和混合動(dòng)力汽車則提供了一種節(jié)省能源和減少二氧化碳排放的極好方式。然而，電動(dòng)和混合動(dòng)力汽車重要弱點(diǎn)就在于其電池容量，以及由此帶來的行駛距離的限制。由于能夠安裝進(jìn)汽車的最大電池尺寸常常受到體積和重量限制，因而優(yōu)化利用現(xiàn)有電池容量變得越來越重要。

　　要提供用于電動(dòng)汽車的現(xiàn)代高性能電池所需的幾百伏電壓，通常需要將幾個(gè)單獨(dú)的電池單元以串聯(lián)方式相連接。電池組中的每個(gè)電池單元，電池單元容量、自放電率、溫度特性和電池阻抗等都各有不同，而且差異會(huì)隨著電池的老化而增大。當(dāng)電池單元正在充電時(shí)，這種差異便會(huì)導(dǎo)致一種情形，即某些電池單元還沒有充滿足夠的電能，但另一些電池單元早已充滿電荷了。除非采取額外措施，否則充電過程必須終止，因?yàn)槿绻硞€(gè)電池單元過分充電，就會(huì)發(fā)生損壞、甚至有可能完全毀壞。

　　類似的情形也會(huì)在放電時(shí)發(fā)生。與前相反，情況是某個(gè)電池單元早已完全放電，而其它的電池單元仍然具有足夠的能量可繼續(xù)為汽車提供動(dòng)力（理論上的）。然而，這時(shí)汽車不可能繼續(xù)行走，因?yàn)檫@會(huì)使較弱的電池單元過度放電，結(jié)果會(huì)導(dǎo)致電池單元的損毀。為了避免上述兩種這些情況的發(fā)生，單個(gè)電池單元之間的主動(dòng)平衡是必須的。

　　被動(dòng)平衡方法將可用能量轉(zhuǎn)化為熱損耗

　　目前廣泛使用的方法是被動(dòng)平衡技術(shù)，就是使用電阻將早已充滿電的電池單元再次放電，以便其它電池單元能夠繼續(xù)充電。這個(gè)方法的缺點(diǎn)是顯而易見的：

　　* 出于平衡的目的，電池只能被放電

　　* 旁路電阻的放電電流引起功率損耗

　　* 寶貴的能量轉(zhuǎn)化為熱量，不能為汽車提供動(dòng)力

　　* 減少汽車的行駛距離

　　被動(dòng)平衡方法僅能將儲(chǔ)存在電池單元中的能量轉(zhuǎn)化為熱損耗，而主動(dòng)平衡則能夠?qū)⒁粋€(gè)電池單元中的電荷傳送至另一電池單元。實(shí)現(xiàn)電荷傳送有幾種方法，如使用開關(guān)電容或電感。當(dāng)使用電容式方法時(shí)，電容會(huì)與有較高電壓的電池單元并聯(lián)。一旦此電池單元完成充電，它即與有較低電壓的電池單元并聯(lián)，能夠繼續(xù)為其充電。此過程會(huì)不斷重復(fù)，直至所有電池單元都達(dá)到相同的電壓為止。

　　使用電容器的方法具有很高的成本效益，但有個(gè)缺點(diǎn)就是平均的平衡電流被限制在50mA以下。使用電感方法則不存在此限制，并且在此情況下，很容易便達(dá)到1A或以上的平衡電流。

　　用主動(dòng)平衡法實(shí)現(xiàn)快速和幾乎無損耗的電荷傳送

　　主動(dòng)平衡是通過并聯(lián)電感和需獲取電荷的電池來實(shí)現(xiàn)的。此結(jié)果導(dǎo)致線圈中的電流持續(xù)增加。

　　一旦線圈已經(jīng)從通過晶體管放電的電池單元中去耦，電感中儲(chǔ)存的能量可通過一個(gè)二極管對(duì)鄰近電池充電。因而電荷可以在兩個(gè)單獨(dú)的電池單元之間來回地移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)極高效率并且?guī)缀鯚o損耗。此方法具有某些決定性的優(yōu)點(diǎn)：

　　* 平衡電流可能達(dá)到1A或以上

　　* 平衡在本質(zhì)上是無損耗的

　　* 平衡極其快速

　　* 增加了效率和電池容量

　　* 增加了汽車的行駛距離

　　相比所提到的其它方法，使用電感實(shí)施主動(dòng)平衡并不算是低成本的方法，因?yàn)楫?dāng)中使用了成本相對(duì)較高的電感元件。然而，這并不完全是個(gè)問題?，F(xiàn)代高性能電池目前的成本接近10,000美元。而使用電感平衡方法，即使只獲得了額外的10%容量，也代表了1,000美元的價(jià)值--此金額可以用于購買大數(shù)量的電感器件。

　　鋰離子電池基于安全的原因，必須監(jiān)控單個(gè)電池單元，因?yàn)檫^載會(huì)發(fā)生燃燒，在極端情況下甚至?xí)l(fā)生爆炸。與過壓、欠壓和溫度監(jiān)控一樣，精確的充電條件測(cè)定等附加功能也是需要的。在半導(dǎo)體市場(chǎng)上已提供能實(shí)現(xiàn)所有這些功能與不同的平衡方法的元件。使用先進(jìn)的主動(dòng)電池單元平衡解決方案（如愛特梅爾ATA6870電池管理電路）每一個(gè)電池單元都有單獨(dú)的電子監(jiān)控，以便提供如充電狀態(tài)測(cè)定、主動(dòng)/被動(dòng)平衡或過壓、欠壓和溫度監(jiān)控等功能。

　　鋰離子電池系統(tǒng)的測(cè)量數(shù)據(jù)記錄和主動(dòng)平衡

　　電池管理電路的核心由6個(gè)高精度12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器組成。每個(gè)電池單元由一個(gè)單獨(dú)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器監(jiān)控。這種方法具有很多優(yōu)點(diǎn)，一方面可以同時(shí)測(cè)量所有的電池單元，另一方面，電池單元電壓無須傳輸模擬地，因而不會(huì)降低系統(tǒng)的準(zhǔn)確度。除了提供有效的平衡，優(yōu)化電池單元容量的另一必要條件是精確記錄電池單元電壓，因?yàn)殇囯x子電池具有非常平坦的特性曲線。因此在模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換后，電路傳輸數(shù)字電壓值而不會(huì)有準(zhǔn)確度的損失。

　　ATA6870可以在單個(gè)電池單元之間同時(shí)實(shí)現(xiàn)被動(dòng)平衡和主動(dòng)平衡的器件，能夠使用電容器或電感器以串聯(lián)方式連接多達(dá)300個(gè)或更多的高性能電池。如要避免電池單元太多導(dǎo)致太長(zhǎng)的平衡時(shí)間，可以使用這種解決方案在任何數(shù)量的電池單元中同時(shí)進(jìn)行平衡。借助于此電路，現(xiàn)在有可能開發(fā)低成本的、高效安全的電池管理系統(tǒng)，而且因?yàn)槠淇梢苑浅＞_地記錄單個(gè)電池單元的充電狀態(tài)，加上平衡方法能夠提供高效率，因而可以從電池中攫取最后一點(diǎn)能量來驅(qū)動(dòng)汽車運(yùn)行。這為增加電動(dòng)汽車和插電式混合動(dòng)力車的行駛距離踏出一大步，進(jìn)而能夠促進(jìn)這些車輛的成功。

圖1:使用電阻的被動(dòng)平衡。

圖2:使用電容器的主動(dòng)平衡。

圖3:使用電感器的主動(dòng)平衡。

圖4:ATA6870鋰離子電池管理IC模塊圖。