均衡電池單個電池充電/放電特性的技術對于延長電動汽車和許多便攜式電子產品的使用壽命至關重要。事實上，本系列第一部分討論的無源電池平衡技術已經成為當今混合動力電動和插電式混合動力車（PHEV）使用的大多數5千瓦時-20千瓦時電池中保護和管理系統的一部分。這些“智能”無源平衡系統使用阻抗跟蹤，庫侖計數和其他充電狀態監測技術（圖1）。

圖1 ：電池管理在現代EV推進系統中發揮著關鍵作用。 （由Maxim Integrated Circuits提供）。

由于即使是這些先進的無源平衡系統也可以通過反復排出較弱電池中的能量來使容量更高的電池完全充電，但它們只能解鎖電池的一部分“滯留“能力。因此，如果25-100千瓦時的電池被動平衡，那么下一代純電動汽車是否能夠容忍損失范圍和丟失充電/放電循環存在激烈的爭論。

至少在理論上更好的選擇是有源電池平衡系統，它從較強的電池重新分配電荷，以支撐電池組內較弱的電池。但是，雖然電子制造商正在推廣其早期有源電池平衡技術的優點，但許多電池和電動汽車制造商都擔心有源系統的額外成本和復雜性是否值得他們提供的擴展范圍和使用壽命。

在本文中，我們將詳細介紹有源電池平衡技術，以及它們可能在下一代電動汽車和其他大容量存儲應用中發揮作用。

為什么有源電池平衡？

如第一部分所述，無源（“頂部”）平衡可防止容量較低的電池限制電容較大的電池可接受的電荷。這是通過使用泄放電阻器卸載過充電電池來完成的（圖2），因此它們的輸出電壓低于充電器的電壓調節點，因此堆棧的其余部分可以繼續充電。為了防止損壞，必須經常對單個電池條件進行采樣，筆記本電池通常以每秒4-10個樣本（sps）和20-100 sps的EV/HEV電池進行監控。

圖2：可以使用通用組件（圖2a）或專用IC（2b）來實現被動單元平衡。 （由英飛凌和ADI公司提供）。

雖然無源頂部平衡消除了災難性電池故障的風險，并在運行時間和使用壽命方面有所改善，但它有效地將電池組的總電流容量降低到最弱的細胞。由于被動平衡通常僅在電池充電時才進行，因此無法修復運行期間產生的不平衡（由于內部阻抗和自放電），這進一步降低了容量。

另一種選擇是主動平衡技術，它將更強的細胞過剩電荷轉移到需要它的一個或多個細胞。大多數有源系統使用的開關MOSFET類似于無源機制中使用的開關MOSFET，除了它們替代電感器用于放電電阻器，該放電電阻器用作變壓器的次級側，其主要位于整個電池組中（圖3）。

圖3：使用MCU監控電池電壓并控制電感耦合電荷泵的電感耦合有源電池平衡。 MCU的A/D輸入上的濾波器電路允許測量電荷泵變壓器初級側的電池電壓。 （由英飛凌提供）。

有源頂部平衡（圖4）是通過將具有較高電壓的電池暫時連接到平衡電路的次級繞組來實現的，從而在初級繞組上產生感應電壓。然后打開“施主”電池的開關，關閉“接收器”電池上的開關，使初級電能被驅回其次級繞組。這種技術允許在充電，待機或放電期間在電池之間傳輸能量，效率接近85％。

圖4：頂部平衡使用有源磁開關電路（4a）通過激勵變壓器的次級繞組之一以在其初級繞組（4b）中感應電流來執行。 （由英飛凌提供）。

有源電感平衡也可用于執行“底部平衡”，允許更強的細胞與較弱的細胞共享其電荷。底部平衡可以在任何時間完成，但通常在放電循環期間完成，因為具有較小容量的電池接近其最大放電極限。在這種情況下，初級繞組通過電池組電壓的脈沖通電，所有電池上的次級開關打開。一旦初級線圈通電，關閉要充電的電池的次級線圈的連接，允許傳輸儲存的能量（圖5）。底部平衡解鎖了原本會被“擱淺”在電池內部的能量。

圖5：使用有源磁開關電路進行底部平衡（5a）通過激勵變壓器的初級側以在其次級繞組之一中感應出電流來執行。 （圖5b）。 （由英飛凌提供）。

大多數有源平衡設計采用上述技術的變體，但德州儀器開發了一種替代架構，稱為PowerPump。 PowerPump使用簡單的電荷耦合開關在相鄰單元之間切換電荷，而不是前面描述的經典的一對多架構（圖6）。該電路工作頻率約為200 kHz，可通過Q2的體二極管切換Q1，將電流從頂部電池推向底部電池。同樣，通過將開關波形施加到Q2，可以使電荷從下部電池穿梭到上部電池。由于所涉及的損耗相對較低，因此PowerPump電路通過將多余電荷通過“斗式旅”方式傳遞到其他所需的位置來增強非相鄰電池是切實可行的。

圖6：Texas Instrument的PowerPump電池平衡技術使用簡單的電荷穿梭方案在相鄰電池之間傳輸能量。

例如，TI bq78PL114主網關電池控制器是專為大型串聯電池串設計的完整鋰離子控制，監控和安全解決方案的一部分。德州儀器最近還推出了基于PowerPump技術的汽車級有源平衡解決方案，將在下一節中討論。

實施策略

所有電池平衡技術必須在電池組的其他電池管理和保護功能的框架。在大多數汽車設計中，用于電池平衡算法和控制功能的軟件將在符合汽車標準的主機MCU上運行，通常位于電池管理系統（BMS）本身內（圖7）。 BMS MCU通常可以使用相同的電子設備來確定電池的“電量計”和充電管理系統的電池電壓，充電/放電電流和充電狀態（SOC），以執行其電池平衡操作所需的類似測量。如本系列的第I部分所述，電池單元的SOC可以使用精確的電壓測量來確定，或者如果需要更高的精度，則與庫侖計數或測量流入和流出電池的總電流的一些其他技術相結合。在任何一種情況下，電池電壓測量都需要一個分辨率為12到14位的A/D轉換器。

圖7：框圖典型的電池管理系統。 （德州儀器公司提供）。

目前，大多數制造商都沒有提供有源電池平衡的完整集成解決方案，但它們提供現成的產品，可處理必要的A/D，多路復用，電平轉換和通信功能可以減少部件數量，模塊尺寸和BOM成本。

例如，Maxim提供專為鋰基汽車存儲系統開發的12通道高壓電池監控器（圖8a）組合了一個12位SAR型A/D，一個由簡單狀態機控制的高壓開關組輸入。它配備了用于SMBus梯形串行通信的高速I2C總線。 MAX11080不是依賴主處理器進行故障保護，而是用于在任何單元超過用戶可選閾值超過設定程序時提供瞬時過壓或欠壓故障指示。 - 延遲間隔（圖8b）。目前，Maxim的產品線僅提供無源平衡解決方案，但這些器件同樣適用于有源解決方案的測量和保護元件。

圖8：集成電池單元監控和保護解決方案，最多可支持12個鋰離子電池。

有源平衡電路也可以使用可尋址驅動器實現，該驅動器允許主機MCU控制一系列功率MOSFET，這些功率MOSFET用作平衡變壓器的主要和次要支路上的開關。具有快速開關特性和低R dson 的MOSFET功率器件，如英飛凌的OptiMOS系列，Microsemi的CoolMOS器件和飛兆半導體的PowerTrench集成FET +肖特基產品，具有高效電荷轉移所需的速度，電流容量和低開關損耗如果主動電池平衡技術在主流應用中得到認可，那么大多數參與電池管理的IC制造商可能會提供更高度集成的產品，以支持主動平衡方案。

但是，目前，唯一一家提供具有有源電池平衡功能的汽車級電池管理IC的公司是德州儀器。 bq76PL536-Q1（圖9）基于TI的PowerPump充電穿梭技術，可為多達六個電池提供電池監控，電氣/熱保護和有源平衡。其高速（SPI）總線允許器件垂直堆疊，在高達192個電池的高壓電池組堆疊上提供可靠的通信，無需額外隔離。

圖9：德州儀器（TI）的bq76PL536-Q1的框圖，這是一款具有集成有源電池平衡功能的汽車級電池監控/保護器件。 （由Texas Instruments提供）。

bq76PL536-Q1具有第二個I2C總線，用于與主機MCU通信，主機MCU編程和控制其片上監控和平衡功能。使用比較器檢測過壓，欠壓和過溫條件下的故障（二次）保護，因此它們獨立于ADC系統和主機控制器，以確保快速，確定的響應。所有保護閾值和檢測延遲時間均可通過I2C主機接口進行編程，并存儲在內部EPROM中。

結論

TI bq76PL536-Q1等高度集成的解決方案將有助于縮小有源和無源電池平衡系統之間的成本差異。但由于某些無源解決方案的成本較低，目前尚不清楚有源技術所增加的運行時間和電池壽命是否會超過它為EV的BMS帶來的額外成本和復雜性。至少部分問題的答案在于制造商能夠在汽車電池的質量和均勻性方面提供多少改進。如果通過制造工藝，電池化學和納米材料的進步可以進一步縮小今天電池的容量和阻抗變化（通常為2％-3％），那么除了最大的電動車電池之外的所有電池都可以通過簡單的方式實現最小的損耗。 ，低成本的被動系統。 Maxim Semiconductor最近進行的一項研究計算出有效平衡可以增加到汽車電池組的10％-12％額外充電/放電循環的價值。假設電池組售價5000美元，主動平衡可以解鎖價值約500美元的附加值，盡管它超過了車輛的8。5年使用壽命。如果這項研究是正確的，那么制造商可能難以證明每年70美元的節省成本，除非主動平衡的額外成本相對較低，并且還使車輛有明顯的提升范圍（5％-10％）。

另一方面，主動平衡技術的支持者表示，一旦高度集成的解決方案到來，它們的實施成本將低于當今的無源系統。這些成本節約主要是因為消除了昂貴的高功率電阻，熱管理組件以及為下一代電動汽車供電的100+ kWh電池組所需的高電流接線。

雖然現在判斷有源電池平衡是否會成為EV/HEV電池管理系統事實上的標準還為時尚早，但可以肯定的是，它將成為高性能車輛和其他運行時，能源應用的首選技術。效率和使用壽命至關重要。