作者：Tony Armstrong和Samuel Nork

由串聯(lián)連接、高能量密度、高峰值功率的鋰聚合物或磷酸鐵鋰(LiFePO4)電池單元組成的大電池包，廣泛用于從純電動(dòng)車(chē)輛（EV或BEV）、油電混合動(dòng)力車(chē)輛(HEV)、插電式混合動(dòng)力車(chē)輛(PHEV)到能源存儲系統(ESS)的各類(lèi)應用中。特別是電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)，預計會(huì )對大型串聯(lián)/并聯(lián)電池單元陣列產(chǎn)生巨大需求。2016年全球PHEV汽車(chē)銷(xiāo)量為77.5萬(wàn)輛，預計2017年銷(xiāo)量為113萬(wàn)輛。盡管對大容量電池單元的需求不斷增長(cháng)，電池價(jià)格仍然相當高，構成EV或PHEV中價(jià)格zui高的組件，支持續航小幾百公里的電池價(jià)格通常在10,000美元左右。高成本可以通過(guò)使用低成本/翻新的電池單元來(lái)化解，但此類(lèi)電池單元也將具有更大的容量不匹配性，進(jìn)而減少單次充電后的可用運行時(shí)間或可行駛距離。即便是較高成本、較高質(zhì)量的電池單元，重復使用后也會(huì )老化且不匹配。提高具有不匹配電池單元的電池包容量有兩種辦法：一種是從一開(kāi)始就使用更大的電池，但這樣做的性?xún)r(jià)比不高；另一種是使用主動(dòng)均衡，這是一種新技術(shù)，可以恢復電池包中的電池容量，快速增強動(dòng)力。

全串聯(lián)電池單元需要均衡

當電池包中的每個(gè)電池單元具有相同的充電狀態(tài)(SoC)時(shí)，我們說(shuō)電池包中的電池單元是均衡的。SoC是指當電池充電和放電時(shí)，單個(gè)電池的當前剩余容量相對于其zui大容量的比例。例如，一個(gè)10安時(shí)的電池單元若有5安時(shí)的剩余容量，則其SoC為50%。所有電池單元都必須保持在某一SoC范圍內，以避免損壞電池或縮短壽命。SoC的允許zui小和zui大值因應用而異。在電池運行時(shí)間至關(guān)重要的應用中，所有電池單元可以在20%的zui小SoC和100%的zui大SoC（或滿(mǎn)電狀態(tài)）之間工作。需要zui長(cháng)電池壽命的應用可能會(huì )將SoC范圍限制在zui小30%到zui大70%之間。這些是電動(dòng)汽車(chē)和電網(wǎng)儲存系統的典型SoC限制，它們使用非常大且昂貴的電池，更換成本極高。電池管理系統(BMS)的主要作用是嚴密監控電池包中的所有單元，確保沒(méi)有任何電池單元充電或放電超出該應用的zui小和zui大SoC限值。

對于串聯(lián)/并聯(lián)電池單元陣列，一般可以認為并聯(lián)連接的電池單元彼此之間會(huì )自動(dòng)均衡。也就是說(shuō)，隨著(zhù)時(shí)間推移，只要電池單元端子之間存在導電路徑，并聯(lián)連接的電池單元之間的充電狀態(tài)就會(huì )自動(dòng)均衡。同樣可以認為，串聯(lián)連接的電池單元的充電狀態(tài)會(huì )隨著(zhù)時(shí)間推移而出現差異，原因有多方面。整個(gè)電池包中的溫度梯度、阻抗、自放電速率或各電池單元負載之間的差異，可能導致SoC逐漸變化。盡管電池包充電和放電電流有助于使這些電池單元間差異變小，但除非周期性地均衡電池單元，否則累積的不匹配性將會(huì )有增無(wú)減。補償電池單元的SoC漸變是均衡串聯(lián)電池的zui基本原因。通常情況下，被動(dòng)或耗散均衡方案足以重新均衡電池包中容量接近的電池單元的SoC。

如圖1a所示，被動(dòng)均衡既簡(jiǎn)單又便宜。然而，被動(dòng)均衡也非常緩慢，會(huì )在電池包內部產(chǎn)生有害的熱量，均衡結果是將所有電池單元的剩余容量減少到與電池包中SoCzui低的電池單元一致。此外，被動(dòng)均衡缺乏能力有效解決另一種常見(jiàn)現象——容量不匹配引起的SoC誤差。所有電池單元在老化時(shí)都會(huì )損失容量，損失速率往往不同，原因類(lèi)似于串聯(lián)電池單元的充電狀態(tài)隨著(zhù)時(shí)間推移而出現差異。電池包電流均等地流入和流出所有串聯(lián)電池單元，因此電池包的可用容量取決于電池包中容量zui低的電池單元。只有圖1b和圖1c所示的主動(dòng)均衡方法可以讓電荷在整個(gè)電池包中重新分配，補償電池單元間不匹配所造成的容量損失。

電池單元間不匹配會(huì )顯著(zhù)縮短運行時(shí)間

電池單元間的容量或SoC不匹配可能會(huì )嚴重降低電池包可用容量，除非均衡電池單元。為使電池包容量zui大化，要求在電池包充電和放電期間，電池單元是均衡的。在圖2所示的例子中，一個(gè)10單元串聯(lián)電池包由（標稱(chēng)）100 安時(shí)電池單元組成，zui小容量單元與zui大容量單元的容量誤差為±10%，對該電池包充電和放電，直至達到預定SoC限值。如果SoC值限制在30%和70%之間，并且不進(jìn)行均衡，則經(jīng)過(guò)一次完全充電/放電循環(huán)之后，電池包可用容量相對于理論可用容量減少25%。被動(dòng)均衡理論上可以在電池包充電階段均衡各電池單元的SoC，但在放電期間，無(wú)法阻止第10個(gè)單元先于其他單元達到30%的SoC水平。即使在電池包充電期間進(jìn)行被動(dòng)均衡，在電池包放電期間也會(huì )損失可觀(guān)的容量（不可用）。只有主動(dòng)均衡解決方案才能恢復容量，在電池包放電期間將電荷從高SoC單元重新分配給低SoC單元。

圖3顯示了使用理想主動(dòng)均衡功能可以100%恢復因電池單元間不匹配而導致的容量損失。在穩態(tài)使用期間，當電池包從70% SoC的完全充電狀態(tài)放電時(shí)，必須從第1個(gè)單元（zui高容量電池單元）中取出存儲的電荷并轉移到第10個(gè)單元（zui低容量電池單元），否則第10個(gè)單元會(huì )先于其他單元達到zui小30%的SoC點(diǎn)，導致電池包必須停止放電以防壽命進(jìn)一步縮短。類(lèi)似地，在充電階段必須將電荷從第10個(gè)單元中移除，重新分配到第1個(gè)單元，否則第10個(gè)單元會(huì )率先達到70%的SoC上限，導致充電周期必須停止。

在電池包使用壽命中的某個(gè)時(shí)間點(diǎn)，電池單元老化的差異將不可避免地造成電池單元之間的容量不匹配。只有主動(dòng)均衡解決方案才能恢復容量，根據需要將電荷從高SoC單元重新分配給低SoC單元。為在電池包使用壽命期間實(shí)現zui大容量，需要通過(guò)主動(dòng)均衡解決方案來(lái)給單個(gè)電池單元有效充電和放電，以使整個(gè)電池包維持SoC均衡。

高效率、雙向均衡提供zui高容量恢復

LTC3300-2（見(jiàn)圖4）是專(zhuān)為滿(mǎn)足高性能主動(dòng)均衡需求而設計的新產(chǎn)品。高效率、雙向、主動(dòng)均衡控制IC LTC3300-2是高性能BMS系統的關(guān)鍵組成部分。每個(gè)IC可以同時(shí)均衡多達6個(gè)串聯(lián)連接的鋰離子或磷酸鐵鋰電池單元。

通過(guò)在選定電池單元和一個(gè)由多達12個(gè)或更多相鄰電池單元組成的子電池包之間重新分配電荷來(lái)實(shí)現SoC均衡。均衡決策和均衡算法必須由另外的電芯監控器件和控制LTC3300-2的系統處理器來(lái)處理。電池單元放電時(shí)，電荷從選定電池單元重新分配到整組相鄰電池單元（12個(gè)或更多）。類(lèi)似地，電池單元充電時(shí)，電荷從整組相鄰電池單元（12個(gè)或更多）轉移到選定電池單元。

所有均衡器可以沿任一方向同時(shí)工作，以盡量縮短電池包均衡時(shí)間。LTC3300-2有一個(gè)兼容SPI總線(xiàn)的串行端口。器件可以利用數字隔離器并聯(lián)連接。多個(gè)器件由A0到A4引腳來(lái)確定器件地址唯 一標識。LTC3300-2的串行接口由4個(gè)引腳組成：CSBI、SCKI、SDI和SDO。如果需要，SDO和SDI引腳可以連接在一起，形成單個(gè)雙向端口。5個(gè)地址引腳（A0到A4）設置器件地址。所有與串行通信相關(guān)的引腳都是電壓模式，其電平以VREG和V-電源為基準。

LTC3300-2中的每個(gè)均衡器都使用非隔離邊界模式同步反激式功率級，以實(shí)現每個(gè)電池單元的高效充電和放電。6個(gè)均衡器各自都需要自己的變壓器。每個(gè)變壓器的原邊連接在要均衡的電池單元兩端，副邊連接在12個(gè)或更多的相鄰電池單元上，包括要均衡的電池單元。副邊的電池單元數量?jì)H受外部器件的擊穿電壓限制。電池單元的充電和放電電流由外部檢測阻結合相應的外部開(kāi)關(guān)和變壓器調整來(lái)設置，zui高達到10 A以上。高效率是通過(guò)同步操作和適當的器件選擇來(lái)實(shí)現的。各均衡器通過(guò)BMS系統處理器使能，并且保持使能狀態(tài)，直到BMS命令均衡停止或檢測到故障狀態(tài)。

均衡器效率問(wèn)題

電池包面臨的zui大克星之一是熱量。高環(huán)境溫度會(huì )讓電池壽命和性能迅速降低。遺憾的是，在大電流電池系統中，為了延長(cháng)運行時(shí)間或實(shí)現電池包快速充電，均衡電也必須很大。均衡器效率低下會(huì )導致電池系統內部產(chǎn)生有害的熱量，必須通過(guò)減少給定時(shí)間內可運行的均衡器數量或昂貴的散熱方法來(lái)解決。如圖5所示，LTC3300-2在充電和放電方向均實(shí)現90%以上的效率，相對于均衡器功耗相同但效率為80%的解決方案，前者的均衡電流可以增加一倍以上。此外，更高的均衡器效率會(huì )產(chǎn)生更有效的電荷再分配，進(jìn)而實(shí)現更有效的容量恢復和更快的充電。

結論

諸如EV、PHEV和ESS之類(lèi)的新應用正在迅速增多。消費者始終期望電池使用壽命長(cháng)，運行可靠，無(wú)性能損失。無(wú)論使用電池還是汽油作為動(dòng)力，人們都要求汽車(chē)能運行五年以上沒(méi)有任何明顯的性能下降。對EV或PHEV而言，性能等同于電池動(dòng)力支持的可行駛距離。EV和PHEV供應商不僅要提供高電池性能，還要提供數年的包括zui短行駛距離的保修服務(wù)，以保持競爭力。隨著(zhù)電動(dòng)汽車(chē)的數量和行駛時(shí)間的不斷增長(cháng)，電池包內無(wú)規律的電池單元老化正在成為一個(gè)長(cháng)期問(wèn)題，這也是運行時(shí)間縮短的主要原因。串聯(lián)連接的電池運行時(shí)間總是受到電池包中zui低容量電池單元的限制。一個(gè)較弱的電池單元就能拖累整個(gè)電池包。對于車(chē)輛供應商，由于行駛距離不足而更換或翻新保修期內的電池是非常不劃算的。為防止此類(lèi)代價(jià)巨大的事件發(fā)生，可以為每個(gè)單元使用更大、更昂貴的電池，或者采用LTC3300-2等高性能主動(dòng)均衡器來(lái)補償電池單元不均勻老化引起的單元間容量不匹配問(wèn)題。LTC3300-2可以讓嚴重不匹配的電池包擁有與電池單元完全匹配且平均容量相同的電池包不相上下的運行時(shí)間。

作者介紹

Tony Armstrong [tony.armstrong @analog.com]是電源產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)總監，2000年5月加入公司。他負責電源轉換和管理類(lèi)產(chǎn)品的所有方面事情——從概念到停產(chǎn)。加入ADI公司之前，Tony在Siliconix Inc.、Semtech Corp.、Fairchild Semiconductors和Intel Corp.歐洲公司擔任過(guò)營(yíng)銷(xiāo)、銷(xiāo)售和運營(yíng)方面的不同
職位。他于1981年在英國曼徹斯特大學(xué)獲得應用數學(xué)學(xué)士學(xué)位（榮譽(yù)）。

Sam Nork [sam.nork @analog.com]于1988年加入凌力爾特公司（現隸屬ADI公司），擔任公司在加州米爾皮塔斯總部的高 級產(chǎn)品工程師。1994年，他被調往波士頓地區，開(kāi)辦并管理一個(gè)模擬IC設計中心，在此地他一直工作到現在。Sam親自設計并發(fā)布了便攜式電源管理領(lǐng)域的眾多集成電路，而且是7項已授權專(zhuān) 利的發(fā)明人/共同發(fā)明人。作為ADI公司波士頓設計中心總監，Sam領(lǐng)導著(zhù)一支近100人的團隊，管理各種模擬集成電路的日常開(kāi)發(fā)活動(dòng)，涉及便攜式電源管理、高速運算放大器、工業(yè)ADC、系統監控和能量收集等領(lǐng)域。在任職設計中心之前，Sam曾在馬薩諸塞州威明頓擔任ADI公司的產(chǎn)品/測試開(kāi)發(fā)工程師。他擁有達特茅斯學(xué)院文學(xué)學(xué)士和工學(xué)學(xué)士學(xué)位。