電池單元間不匹配會(huì)顯著縮短運(yùn)行時(shí)間

電池單元間的容量或SoC不匹配可能會(huì)嚴(yán)重降低電池包可用容量，除非均衡電池單元。為使電池包容量最大化，要求在電池包充電和放電期間，電池單元是均衡的。一個(gè)10單元串聯(lián)電池包由(標(biāo)稱)100安時(shí)電池單元組成，最小容量單元與最大容量單元的容量誤差為±10%，對(duì)該電池包充電和放電，直至達(dá)到預(yù)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(duì)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(dá)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)損失可觀的容量(不可用)。只有主動(dòng)均衡解決方案才能恢復(fù)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。

顯示了使用理想主動(dòng)均衡功能可以100%恢復(fù)因電池單元間不匹配而導(dǎo)致的容量損失。在穩(wěn)態(tài)使用期間，當(dāng)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(最高容量電池單元)中取出存儲(chǔ)的電荷并轉(zhuǎn)移到第10個(gè)單元(最低容量電池單元)，否則第10個(gè)單元會(huì)先于其他單元達(dá)到最小30%的SoC點(diǎn)，導(dǎo)致電池包必須停止放電以防壽命進(jìn)一步縮短。類似地，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(dá)到70%的SoC上限，導(dǎo)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(fù)容量，根據(jù)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(xiàn)最大容量，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、雙向均衡提供最高容量恢復(fù)

專為滿足高性能主動(dòng)均衡需求而設(shè)計(jì)的新產(chǎn)品。高效率、雙向、主動(dòng)均衡控制ICLTC3300-2是高性能BMS系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分。每個(gè)IC可以同時(shí)均衡多達(dá)6個(gè)串聯(lián)連接的鋰離子或磷酸鐵鋰電池單元。

圖4.LTC3300-2高效率、雙向、多電池單元主動(dòng)均衡器。

通過(guò)在選定電池單元和一個(gè)由多達(dá)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(xiàn)SoC均衡。均衡決策和均衡算法必須由另外的電芯監(jiān)控器件和控制LTC3300-2的系統(tǒng)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(zhuǎn)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總線的串行端口。器件可以利用數(shù)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(biāo)識(shí)。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(shè)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(zhǔn)。

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(jí)，以實(shí)現(xiàn)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(shù)量?jī)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(cè)電阻結(jié)合相應(yīng)的外部開關(guān)和變壓器調(diào)整來(lái)設(shè)置，最高達(dá)到10A以上。高效率是通過(guò)同步操作和適當(dāng)?shù)钠骷x擇來(lái)實(shí)現(xiàn)的。各均衡器通過(guò)BMS系統(tǒng)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(cè)到故障狀態(tài)。均衡器效率問(wèn)題

電池包面臨的最大克星之一是熱量。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(tǒng)中，為了延長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間或?qū)崿F(xiàn)電池包快速充電，均衡電流也必須很大。均衡器效率低下會(huì)導(dǎo)致電池系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生有害的熱量，必須通過(guò)減少給定時(shí)間內(nèi)可運(yùn)行的均衡器數(shù)量或昂貴的散熱方法來(lái)解決。

圖5.LTC3300-2功率級(jí)性能。

如圖5所示，LTC3300-2在充電和放電方向均實(shí)現(xiàn)90%以上的效率，相對(duì)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(xiàn)更有效的容量恢復(fù)和更快的充電。

結(jié)論

諸如EV、PHEV和ESS之類的新應(yīng)用正在迅速增多。消費(fèi)者始終期望電池使用壽命長(zhǎng)，運(yùn)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，人們都要求汽車能運(yùn)行五年以上沒有任何明顯的性能下降。對(duì)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(yīng)商不僅要提供高電池性能，還要提供數(shù)年的包括最短行駛距離的保修服務(wù)，以保持競(jìng)爭(zhēng)力。

隨著電動(dòng)汽車的數(shù)量和行駛時(shí)間的不斷增長(zhǎng)，電池包內(nèi)無(wú)規(guī)律的電池單元老化正在成為一個(gè)長(zhǎng)期問(wèn)題，這也是運(yùn)行時(shí)間縮短的主要原因。串聯(lián)連接的電池運(yùn)行時(shí)間總是受到電池包中最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(duì)于車輛供應(yīng)商，由于行駛距離不足而更換或翻新保修期內(nèi)的電池是非常不劃算的。

為防止此類代價(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(bǔ)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(yán)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(yùn)行時(shí)間。