【導讀】電動汽車市場對大規模串聯/并聯電池組將有很強的需求。據預測，PEV和EV銷售在2012～2020年度的復合增長率(CAGR)將達到37.4%。而電池是EV或PHEV價格最高的組件。因此，如何做好電池組平衡以延長電池運行時間就變得尤為重要…
由串聯的、高功率密度、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用于全電動(EV或者BEV)，混合燃氣/電動汽車(HEV和插電式混合電動汽車或PHEV)、儲能系統(ESS)等各種應用中。據預測，電動汽車市場對大規模串聯/并聯電池組將有很強的需求。PEV和EV銷售在2012～2020年度的復合增長率(CAGR)將達到37.4%。對大容量電池的需求越來越強烈，而電池價格一直非常高，它是EV或PHEV價格最高的組件，能行駛幾十公里范圍的電池價格通常就要超過10,000美元。
高成本可以通過使用低成本/翻新電池來減輕成本壓力，但這類電池會有較大的容量不匹配問題，這會縮短可使用時間和在一次充電后的行駛距離。即使是成本較高、質量較好的電池也會老化，不斷重復使用會導致電池失配。要提高具不匹配電池的電池組容量可以通過兩種方式來實現：開始時采用較大的電池，但這樣做非常不符合成本效益；或采用主動平衡，該新技術可恢復電池組的電池容量，正有快速上升勢頭。
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所有的串聯連接電池必需保持電荷平衡
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指的是個別電池在充電和放電狀態下，相對于其最大容量的剩余容量。例如：一個剩余容量為5Ahr的10Ahr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。在電動型汽車和電網存儲系統中，這些數值是典型的SoC限制，電動型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。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之容量的電池組中，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 (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，以及補償由于不同電池之間的失配而導致容量的減小。
圖1：典型的電池平衡拓撲
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。
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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100Ahr(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%～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，井重新分配給第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
高效率雙向平衡提供最強的容量恢復能力
LTC3300-1(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。LTC3300-1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)或磷鐵鋰(LiFePO4)電池。
圖4：LTC3300-1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LTC3300-1的系統處理器來應對。電荷從一個指定電池重新分配給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接口提供給每一個IC，對電池組的高度沒有限制。
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LTC3300中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(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10A以上的值。
圖5：雙向反激式電源級的工作
圖6：LTC3300-1的電源級性能
平衡器效率事關緊要
電池組面對的大敵人之一是熱量。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，LTC3300-1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。
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之電池的最靠近電池之間的電荷重新分配來完成。含有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LTC3300D的交錯式拓撲將無須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。
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、看門狗定時器和數據回讀等進行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-秒鉗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。
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