電池單元間不匹配可顯著縮短運(yùn)行時(shí)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(huì)嚴(yán)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(biāo)稱）100 A/hr 電池組成的 10 節(jié)電池串聯(lián)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(dá)到預(yù)定的 SoC 限值。如果SoC水平限制在30%到70%之間，并且不執(zhí)行平衡，則在完整的充電/放電循環(huán)后，相對(duì)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(dòng)平衡可以在電池組充電階段均衡每個(gè)電池的SoC，但無法阻止電池10在放電期間先于其他電池達(dá)到30%的SoC水平。即使在電池組充電期間進(jìn)行被動(dòng)平衡，在電池組放電期間也會(huì)損失大量容量（無法使用）。只有主動(dòng)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(shí)現(xiàn)容量恢復(fù)。

圖2.由于電池單元間不匹配而導(dǎo)致的堆棧容量損失示例。

圖3說明了使用理想的主動(dòng)平衡如何能夠100%恢復(fù)由于電池單元間不匹配而損失的容量。在穩(wěn)態(tài)使用期間，當(dāng)電池組從其 70% SoC 完全充電狀態(tài)放電時(shí)，存儲(chǔ)的電荷實(shí)際上必須從電池單元 1（最高容量電池）中取出并轉(zhuǎn)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(dá)到其 30% 的最小 SoC 點(diǎn)，并且電池組放電必須停止以防止進(jìn)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(dá)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(gè)時(shí)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(dòng)平衡解決方案才能根據(jù)需要將電荷從高SoC單元重新分配到低SoC單元，從而實(shí)現(xiàn)容量恢復(fù)。要在電池組的整個(gè)生命周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)最大電池組容量，需要主動(dòng)平衡解決方案來有效地對(duì)單個(gè)電池進(jìn)行充電和放電，以保持整個(gè)電池組的 SoC 平衡。

圖3.通過理想的主動(dòng)平衡實(shí)現(xiàn)容量恢復(fù)。

高效率、雙向平衡提供最高的容量恢復(fù)

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(shè)計(jì)的新產(chǎn)品。LTC?3300-2 是一款高效率、雙向、主動(dòng)平衡控制 IC，是高性能 BMS 系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。每個(gè) IC 可同時(shí)平衡多達(dá) 6 個(gè)鋰離子或 LiFePO4串聯(lián)連接的電池。

圖4.LTC?3300-2 高效率、雙向、多節(jié)有源平衡器。

SoC 平衡是通過在所選電池和最多 12 個(gè)或更多相鄰電池的子堆棧之間重新分配電荷來實(shí)現(xiàn)的。平衡決策和平衡算法必須由控制 LTC3300-2 的獨(dú)立監(jiān)視器件和系統(tǒng)處理器處理。電荷從選定的電池重新分配到一組12個(gè)或更多相鄰電池，以便對(duì)電池放電。類似地，電荷從一組12個(gè)或更多相鄰電池轉(zhuǎn)移到選定的電池，以便為電池充電。所有平衡器可以同時(shí)在任一方向上運(yùn)行，以最大限度地減少堆棧平衡時(shí)間。LTC3300-2 具有一個(gè) SPI 總線兼容型串行端口?？梢允褂?a href="http://www.www27dydycom.cn/tags/數(shù)字隔離器/" target="_blank">數(shù)字隔離器并聯(lián)設(shè)備。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)引腳構(gòu)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(gè)雙向端口。五個(gè)地址引腳（A0至A4）設(shè)置器件地址。所有串行通信相關(guān)引腳均為電壓模式，電壓電平以 VREG 和 V– 電源為基準(zhǔn)。

LTC3300-2 中的每個(gè)平衡器都使用一個(gè)非隔離邊界模式同步反激式功率級(jí)來實(shí)現(xiàn)每個(gè)單獨(dú)電池的高效率充電和放電。六個(gè)平衡器中的每一個(gè)都需要自己的變壓器。每個(gè)變壓器的初級(jí)側(cè)連接在要平衡的電池上，次級(jí)側(cè)連接在12個(gè)或更多相鄰的電池上，包括要平衡的電池。次級(jí)側(cè)的電池?cái)?shù)量?jī)H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(cè)電阻器設(shè)置，值高達(dá) 10+ 安培，外部開關(guān)和變壓器相應(yīng)縮放。通過同步操作和正確選擇組件來實(shí)現(xiàn)高效率。單個(gè)平衡器通過 BMS 系統(tǒng)處理器啟用，它們將保持啟用狀態(tài)，直到 BMS 命令平衡停止或檢測(cè)到故障情況。

平衡器效率至關(guān)重要

電池組面臨的最大敵人之一是熱量。高環(huán)境溫度會(huì)迅速降低電池壽命和性能。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。平衡器效率低會(huì)導(dǎo)致電池系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生不必要的熱量，必須通過減少在給定時(shí)間可以運(yùn)行的平衡器數(shù)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(shí)現(xiàn)了 >90% 的效率，這使得平衡電流相對(duì)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(huì)產(chǎn)生更有效的電荷再分配，從而產(chǎn)生更有效的容量恢復(fù)和更快的充電。

圖5.LTC3300-2 功率級(jí)性能。

結(jié)論

電動(dòng)汽車、插電式混合動(dòng)力汽車和儲(chǔ)能系統(tǒng)等新應(yīng)用正在迅速增長(zhǎng)。消費(fèi)者對(duì)電池使用壽命長(zhǎng)、運(yùn)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(dòng)力，預(yù)計(jì)可以使用五年以上，而不會(huì)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(dòng)汽車和插電式混合動(dòng)力汽車供應(yīng)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(jìng)爭(zhēng)力。隨著電動(dòng)汽車的數(shù)量和年齡的持續(xù)增長(zhǎng)，電池組內(nèi)的不規(guī)則電池老化正在成為一個(gè)長(zhǎng)期問題，也是運(yùn)行時(shí)間縮短的主要來源。串聯(lián)電池的工作時(shí)間始終受到電池組中最低容量電池的限制。只需要一個(gè)弱電池就可以破壞整個(gè)電池。對(duì)于車輛供應(yīng)商來說，由于續(xù)航里程不足而在保修期內(nèi)更換或翻新電池是一個(gè)非常昂貴的提議。要防止這種代價(jià)高昂的事件，可以為每個(gè)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(bǔ)償由于電池不均勻老化而導(dǎo)致的電池間容量不匹配。利用 LTC3300-2，嚴(yán)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(yùn)行時(shí)間幾乎相同。

審核編輯：郭婷