串联电池主动均衡解决方案 - Convertronic 电子杂志

细节: 类别：集成电路; 2013年6月4日

大型高压可充电电池系统已成为从电动汽车到并网负荷调节系统等各种应用领域的常用电源。这些大型电池组通常由锂聚合物电池或磷酸铁锂电池串并联组成，因为它们具有高能量密度和峰值功率。.

图 1. 常见的单元均衡拓扑结构。.

与单节电池应用一样，精确的充电控制和电池监测对于确保安全运行、防止电池过早老化或损坏至关重要。
然而，与单节电池系统不同的是，串联电池组增加了一项新的要求：电池均衡。

串联
电池组中的所有电芯必须保持平衡。当电池组中每个电芯的荷电状态 (SoC) 相同时，即达到“平衡”状态。SoC 表示电芯在充放电过程中剩余容量与其最大容量的比值。电池组中的所有电芯必须保持在特定的 SoC 范围内，以防止其在使用寿命期间损坏或性能下降。对于需要尽可能延长电池寿命的应用，所有电芯的 SoC 范围可以设置为 30% 到 70%。这些是电动汽车和并网储能系统中典型的 SoC 限制，这些系统通常使用容量巨大且价格昂贵的电池。

串联电池的相对荷电状态 (SoC) 会随着时间推移而变化，这是由于温度梯度或阻抗差异、自放电率以及电池间的充电等因素造成的。被动均衡技术（例如图 1A 所示的技术）是一种简单且经济的方法，可以强制所有电池的荷电状态与荷电状态最低的电池相匹配。然而，被动均衡速度慢，会产生不必要的热量，并且无法解决由电池容量不均导致的荷电状态差异。所有电池都会随着老化而损失容量，且损失速率各不相同。由于电池组的电流在电池之间流动，因此电池组的可用容量取决于电池组中容量最低的电池。只有主动均衡方法（例如图 1B 和 1C 所示的方法）才能补偿由于电池容量不匹配而造成的电池组容量“损失”。.

电池容量不匹配会缩短运行时间。
除非进行均衡，否则电池容量不匹配会严重降低电池组的可用容量。如图 2 所示，一个由 10 个 100 Ah 电池组成的电池组，容量误差为 +/- 10%，在充放电过程中分别达到 30% 和 70% 的荷电状态 (SoC) 限制。如果不进行均衡，电池组的可用容量将减少 25%。
被动均衡最终可以在充电阶段均衡各电池的荷电状态，但无法阻止第 10 个电池在放电过程中比其他电池更早达到 30% 的荷电状态。图 3 展示了“理想”的主动均衡如何恢复“损失”的容量。当电池组放电时，会向容量最低的电池充电，使所有电池同时达到 30% 的荷电状态。同样，在充电过程中，会从容量最低的电池中移除电量，使所有电池共同达到 70% 的荷电状态。
在电池组的使用寿命期间，由于单体电池老化程度不同，电池组容量会存在差异。只有主动均衡才能通过根据需要重新分配电量来恢复容量，从而维持整个电池组的荷电状态（SoC）平衡。

高效双向均衡技术可实现最大容量恢复。LTC3300
（见图4）是一款专为满足高性能主动均衡需求而设计的新产品。LTC3300是一款高效双向主动均衡控制IC，是高性能电池管理系统的重要组成部分。每个IC可同时均衡多达六个串联的锂离子或磷酸铁锂电池。

SoC均衡是通过在选定的单体电池和一组至少12个相邻单体电池之间重新分配电荷来实现的。均衡决策和算法由控制LTC3300的电池管理系统处理。电荷从选定的单体电池重新分配到一组至少12个相邻单体电池以对该单体电池进行放电。同样，电荷从一组至少12个相邻单体电池转移到选定的单体电池以对其进行充电。所有均衡器均通过可堆叠的SPI接口控制，并且可以同时运行以最大限度地缩短均衡时间。.

每个 LTC3300 平衡器都采用非隔离式同步反激功率级，以实现高效的充电和放电（参见图 5）。每个平衡器都需要自己的变压器。.

每个变压器的“初级”侧连接到待平衡的电池，而“次级”侧连接到12个或更多相邻的电池。次级电池的数量仅受外部元件击穿电压的限制。充电和放电电流（最高可达10 A以上）通过外部检测电阻进行编程。IPICO/ICERO的序列生成和电流检测取决于平衡器是处于充电状态还是放电状态。.

通过同步运行和合适的外部元件，可以实现高效率。如果检测到任何故障，平衡过程将自动停止。.

均衡器的效率至关重要！
电池组面临的最大敌人之一就是热量。高温会迅速降低电池寿命和性能。不幸的是，在高电流电池系统中，均衡电流也很高。