運(yùn)用高性能的主動(dòng)平衡器,最大化延長(zhǎng)汽車(chē)電池組運(yùn)行時(shí)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(dòng) (EV 或者 BEV)、混合燃?xì)?/ 電動(dòng)汽車(chē) (HEV 和插電式混合電動(dòng)汽車(chē)或PHEV)、以至儲(chǔ)能系統(tǒng) (ESS) 中。據(jù)預(yù)測(cè)，電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)對(duì)大規(guī)模串聯(lián) / 并聯(lián)電池組的需求將越來(lái)越大。2016 年全球 PHEV 銷(xiāo)量為 77.5 萬(wàn)臺(tái) [資料來(lái)源：EVvolumes.com]，預(yù)計(jì) 2017 年將達(dá)到 113萬(wàn)臺(tái)。然而，雖然對(duì)高容量電池的需求日益增長(zhǎng)，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(guò) 10,000 美元。對(duì)付高成本的策略可以是通過(guò)使用低成本 / 翻新電池來(lái)減輕成本壓力，但隨之而來(lái)的問(wèn)題是，這類(lèi)電池會(huì)有較大的容量不匹配問(wèn)題，這會(huì)減少可使用時(shí)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(huì)老化，而不斷的重復(fù)使用會(huì)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(kāi)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(dòng)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(gè)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?jìng)€(gè)別電池隨著充電和放電，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。所有電池都需要保持在某個(gè) 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(huì)不同。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)型汽車(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)型汽車(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。

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，或者電池之間阻抗不同、自放電速率或加載之不同，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)密匹配之容量的電池組中，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 1a 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，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)的容量失配，無(wú)源平衡還缺乏有效地應(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 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)?/span>

>>>> 電池之間的失配能大幅度地縮短運(yùn)行時(shí)間

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。

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)到其 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”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)

>>>> 高效率雙向平衡提供最強(qiáng)的容量恢復(fù)能力

LTC3300-2 (參見(jiàn)圖 4) 是一個(gè)新產(chǎn)品，專(zhuān)門(mén)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(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：LTC3300-2 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 LTC3300-2 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。LTC3300-2 具有一個(gè)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(gè)器件由 A0 至 A4 引腳確定的器件地址唯一標(biāo)識(shí)。在 LTC3300-2 上，四個(gè)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(gè)雙向端口。器件地址由五個(gè)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 V_REG 和V^-電源。

LTC3300-2 中的每個(gè)平衡器都采用非隔離的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。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。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。

>>>>平衡器效率事關(guān)緊要！

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 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(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 5：LTC3300-2 的電源級(jí)性能

結(jié) 論

雖然諸如電動(dòng)汽車(chē)和 PHEV 等新型應(yīng)用的發(fā)展十分迅猛，但消費(fèi)者對(duì)于長(zhǎng)工作壽命及可靠運(yùn)作的期待卻并未改變。對(duì)于汽車(chē)，不管采用電池還是汽油作為動(dòng)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(jué)的性能劣化。就 EV 和 PHEV 而言，性能等同于以電池為動(dòng)力時(shí)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(chē)輛具備合理的最低行駛距離以使自身?yè)碛凶銐虻母?jìng)爭(zhēng)力。隨著電動(dòng)汽車(chē)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(gè)持續(xù)存在的問(wèn)題，而且是導(dǎo)致運(yùn)行時(shí)間縮短的主要根源。串接式電池的工作時(shí)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(huì)殃及整個(gè)電池組。對(duì)于汽車(chē)供應(yīng)商來(lái)說(shuō)，由于車(chē)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(dòng)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(wèn)題。一個(gè)嚴(yán)重失配的電池組利用了 LTC3300-2 后，它的運(yùn)行時(shí)間與一個(gè)具相同平均電池容量的完全匹配電池組幾乎相同。