作者：Tony Armstrong and Sam Nork

由串聯、高能量密度、高峰值功率鋰聚合物或磷酸鐵鋰 （LiFePO4）電池在從全電動汽車（EV或BEV）和混合動力汽油/電動汽車（HEV和插電式混合動力電動汽車或PHEV）到儲能系統（ESS）的應用中都很常見。特別是電動汽車市場，預計將對大型串聯/并聯電池陣列產生巨大需求。2016年PHEV全球銷量為77.5萬輛，預計2017年為113萬輛。盡管對高容量電池的需求不斷增長，但電池價格仍然相當高，是電動汽車或插電式混合動力汽車中價格最高的組件，能夠行駛100公里的電池價格通常在10，000美元范圍內。使用低成本/翻新電池可以減輕高成本，但這種電池也將具有更大的容量不匹配，這反過來又減少了單次充電的可用運行時間或可駕駛距離。即使成本更高，質量更高的電池也會因重復使用而老化和不匹配。通過兩種方式增加不匹配電池的電池組容量：要么從更大的電池開始，這不是很劃算，要么使用主動平衡，這是一種恢復電池組中電池容量的新技術，正在迅速獲得動力。

所有串聯電池都需要平衡

當電池組中的每個電池都具有相同的充電狀態 （SoC） 時，電池組中的電池單元將保持平衡。SoC 是指單個電池在充電和放電時相對于其最大容量的當前剩余容量。例如，剩余容量為 5 A/小時的 10 A/小時單元具有 50% 的 SoC。所有電池單元必須保持在 SoC 范圍內，以避免損壞或壽命下降。允許的 SoC 最小和最大級別因應用程序而異。在電池運行時間至關重要的應用中，所有電池都可以在最小 20% 和最大 100%（或完全充電狀態）之間運行。需要最長電池壽命的應用可能會將 SoC 范圍限制在最小 30% 到最大 70%。這些是電動汽車和電網存儲系統中的典型SoC限制，這些系統使用非常大且昂貴的電池，更換成本極高。電池管理系統（BMS）的主要作用是仔細監控電池組中的所有電池，并確保充電或放電不會超過應用的最小和最大SoC限制。

對于串聯/并聯電池陣列，通常可以安全地假設并聯連接的電池將彼此自動平衡。也就是說，隨著時間的推移，只要電池端子之間存在導電路徑，充電狀態就會在并聯連接的電池之間自動均衡。也可以安全地假設，由于許多因素，串聯連接的電池的充電狀態往往會隨著時間的推移而發散。由于整個電池組的溫度梯度或阻抗、自放電率或電池間負載的差異，可能會發生逐漸的 SoC 變化。盡管電池組充電和放電電流往往會使這些電池間的變化相形見絀，但除非電池周期性平衡，否則累積的不匹配將有增無減。補償SoC在電池單元之間的逐漸變化是平衡串聯電池的最基本原因。通常，被動或耗散平衡方案足以在容量緊密匹配的電池堆棧中重新平衡SoC。

如圖1a所示，被動平衡簡單且便宜。然而，被動平衡也非常緩慢，在電池組內產生不需要的熱量，并通過減少所有電池中的剩余容量來平衡，以匹配堆棧中最低的SoC電池。被動平衡也缺乏有效解決 SoC 錯誤的能力，這是由于另一種常見情況——容量不匹配。所有細胞都會隨著年齡的增長而失去容量，并且由于相同的原因，它們傾向于以不同的速率這樣做，串聯中的電荷電池狀態往往會隨著時間的推移而發散。由于電池組電流平均流入和流出所有串聯電池，因此電池組的可用容量由電池組中容量最低的電池決定。只有圖1b和圖1c所示的主動平衡方法才能在整個電池組中重新分配電荷，并補償由于電池單元之間的不匹配而損失的容量。

圖1.典型的電池平衡拓撲。

電池單元間不匹配可顯著縮短運行時間

除非電池單元平衡，否則容量或SoC的電池單元間不匹配可能會嚴重降低可用電池組容量。最大化電池組容量要求電池組在電池組充電和電池組放電期間保持平衡。在圖 2 所示的示例中，由（標稱）100 A/hr 電池組成的 10 節電池串聯電池組從最小容量電池到最大容量電池的容量誤差為 ±10%，然后充電和放電，直到達到預定的 SoC 限值。如果SoC水平限制在30%到70%之間，并且不執行平衡，則在完整的充電/放電循環后，相對于電池的理論可用容量，可用堆棧容量將減少25%。從理論上講，被動平衡可以在電池組充電階段均衡每個電池的SoC，但無法阻止電池10在放電期間先于其他電池達到30%的SoC水平。即使在電池組充電期間進行被動平衡，在電池組放電期間也會損失大量容量（無法使用）。只有主動平衡解決方案才能通過在電池堆放電期間將電荷從高 SoC 單元重新分配到低 SoC 單元來實現容量恢復。

圖2.由于電池單元間不匹配而導致的堆棧容量損失示例。

圖3說明了使用理想的主動平衡如何能夠100%恢復由于電池單元間不匹配而損失的容量。在穩態使用期間，當電池組從其 70% SoC 完全充電狀態放電時，存儲的電荷實際上必須從電池單元 1（最高容量電池）中取出并轉移到電池單元 10（最低容量電池單元）——否則電池單元 10 在其余電池之前達到其 30% 的最小 SoC 點，并且電池組放電必須停止以防止進一步的壽命下降。同樣，在充電階段，必須從單元 10 中取出電荷并重新分配到單元 1，否則單元 10 首先達到其 70% 的 SoC 上限，充電周期必須停止。在電池組使用壽命的某個時刻，電池老化的變化將不可避免地造成電池單元之間的容量不匹配。只有主動平衡解決方案才能根據需要將電荷從高SoC單元重新分配到低SoC單元，從而實現容量恢復。要在電池組的整個生命周期內實現最大電池組容量，需要主動平衡解決方案來有效地對單個電池進行充電和放電，以保持整個電池組的 SoC 平衡。

圖3.通過理想的主動平衡實現容量恢復。

高效率、雙向平衡提供最高的容量恢復

LTC?3300-2 （參見圖 4） 是一款專為滿足高性能有源平衡需求而設計的新產品。LTC?3300-2 是一款高效率、雙向、主動平衡控制 IC，是高性能 BMS 系統的關鍵部分。每個 IC 可同時平衡多達 6 個鋰離子或 LiFePO4串聯連接的電池。

圖4.LTC?3300-2 高效率、雙向、多節有源平衡器。

SoC 平衡是通過在所選電池和最多 12 個或更多相鄰電池的子堆棧之間重新分配電荷來實現的。平衡決策和平衡算法必須由控制 LTC3300-2 的獨立監視器件和系統處理器處理。電荷從選定的電池重新分配到一組12個或更多相鄰電池，以便對電池放電。類似地，電荷從一組12個或更多相鄰電池轉移到選定的電池，以便為電池充電。所有平衡器可以同時在任一方向上運行，以最大限度地減少堆棧平衡時間。LTC3300-2 具有一個 SPI 總線兼容型串行端口。可以使用數字隔離器并聯設備。多個器件由A0至A4引腳確定的器件地址唯一標識。在 LTC3300-2 上，四個引腳構成串行接口：CSBI、SCKI、SDI 和 SDO。如果需要，SDO和SDI引腳可以連接在一起，形成單個雙向端口。五個地址引腳（A0至A4）設置器件地址。所有串行通信相關引腳均為電壓模式，電壓電平以 VREG 和 V– 電源為基準。

LTC3300-2 中的每個平衡器都使用一個非隔離邊界模式同步反激式功率級來實現每個單獨電池的高效率充電和放電。六個平衡器中的每一個都需要自己的變壓器。每個變壓器的初級側連接在要平衡的電池上，次級側連接在12個或更多相鄰的電池上，包括要平衡的電池。次級側的電池數量僅受外部元件擊穿電壓的限制。電池充電和放電電流由外部檢測電阻器設置，值高達 10+ 安培，外部開關和變壓器相應縮放。通過同步操作和正確選擇組件來實現高效率。單個平衡器通過 BMS 系統處理器啟用，它們將保持啟用狀態，直到 BMS 命令平衡停止或檢測到故障情況。

平衡器效率至關重要

電池組面臨的最大敵人之一是熱量。高環境溫度會迅速降低電池壽命和性能。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。平衡器效率低會導致電池系統內部產生不必要的熱量，必須通過減少在給定時間可以運行的平衡器數量或通過昂貴的熱緩解方法來解決。如圖 5 所示，LTC3300-2 在充電和放電方向上均實現了 >90% 的效率，這使得平衡電流相對于具有相同平衡器功耗的 80% 高效解決方案增加了一倍以上。此外，更高的平衡器效率會產生更有效的電荷再分配，從而產生更有效的容量恢復和更快的充電。

圖5.LTC3300-2 功率級性能。

結論

電動汽車、插電式混合動力汽車和儲能系統等新應用正在迅速增長。消費者對電池使用壽命長、運行可靠且無性能損失的期望保持不變。汽車，無論是電池還是汽油動力，預計可以使用五年以上，而不會有任何明顯的性能下降。在EV或PHEV的情況下，性能等同于電池供電下的可駕駛范圍。電動汽車和插電式混合動力汽車供應商不僅必須提供高電池性能，還必須提供涵蓋最小范圍的多年保修，以保持競爭力。隨著電動汽車的數量和年齡的持續增長，電池組內的不規則電池老化正在成為一個長期問題，也是運行時間縮短的主要來源。串聯電池的工作時間始終受到電池組中最低容量電池的限制。只需要一個弱電池就可以破壞整個電池。對于車輛供應商來說，由于續航里程不足而在保修期內更換或翻新電池是一個非常昂貴的提議。要防止這種代價高昂的事件，可以為每個電池使用更大、更昂貴的電池，或者采用高性能有源平衡器（如 LTC3300-2）來補償由于電池不均勻老化而導致的電池間容量不匹配。利用 LTC3300-2，嚴重不匹配的電池組與具有相同平均電池容量的完美匹配電池組的運行時間幾乎相同。

審核編輯：郭婷