專家解密：用有源平衡技術(shù)怎么大幅提升電動(dòng)汽車電池壽命

 無論每年銷售多少輛汽車，汽車中的電子系統(tǒng)都會(huì)繼續(xù)增加。對(duì)混合動(dòng)力型和全電動(dòng)型汽車的需求進(jìn)一步推進(jìn)了汽車電子市場(chǎng)的增長。隨著將電池作為電源這種方式日益流行，對(duì)于最大限度延長電池可用壽命，也出現(xiàn)了同樣的需求。那有好的技術(shù)來大幅度提升電動(dòng)汽車電池壽命不？

汽車市場(chǎng)是凌力爾特公司重點(diǎn)關(guān)注的終端市場(chǎng)。上一財(cái)年，我們?cè)谄囀袌?chǎng)的收入已經(jīng)增長到占公司總收入的 20%，增長速度持續(xù)高于公司的總體增長速度。汽車行業(yè)的大部分創(chuàng)新和差異化都源自汽車電子系統(tǒng)。提高行車安全性、燃油效率和舒適度的需求創(chuàng)造了巨大商機(jī)?；旌蟿?dòng)力型和全電動(dòng)型汽車的激增將穩(wěn)步促進(jìn)對(duì)創(chuàng)新性模擬電子產(chǎn)品的需求。除了汽車電子系統(tǒng)的增加，全球潛在汽車市場(chǎng)預(yù)計(jì)也將出現(xiàn)穩(wěn)步增長。

無論每年銷售多少輛汽車，汽車中的電子系統(tǒng)都會(huì)繼續(xù)增加。對(duì)混合動(dòng)力型和全電動(dòng)型汽車的需求進(jìn)一步推進(jìn)了汽車電子市場(chǎng)的增長。隨著將電池作為電源這種方式日益流行，對(duì)于最大限度延長電池可用壽命，也出現(xiàn)了同樣的需求。電池不平衡 (即組成電池包的各節(jié)電池之間的充電狀態(tài)失配) 是大型鋰離子電池包的一個(gè)問題，這個(gè)問題是由制造過程、工作條件和電池老化程度的不同造成的。電池不平衡可能減小電池包的總體容量，并有可能損壞電池包。電池不平衡妨礙了從充電狀態(tài)到放電狀態(tài)的電池跟蹤過程，而這個(gè)過程如果不能嚴(yán)格監(jiān)控，就可能導(dǎo)致電池過度充電或過度放電，這將永久性地?fù)p壞電池。

對(duì)于混合電動(dòng)型汽車和全電動(dòng)型汽車電池包中使用的電池，電池制造商會(huì)針對(duì)其容量和內(nèi)部阻抗進(jìn)行分類，以減少交付給客戶的特定批次電池之間的差別。然后，用仔細(xì)挑選過的電池構(gòu)成汽車電池包，以提高電池包中電池之間的總體匹配度。理論上，這樣做應(yīng)該能夠防止電池包中出現(xiàn)很嚴(yán)重的電池不平衡，但是盡管如此，一個(gè)普遍的共識(shí)是，組成大型電池包時(shí)，要在電池包壽命期內(nèi)保持很大的電池容量，電池監(jiān)控和電池平衡都需要。凌力爾特新的電池管理系統(tǒng) (BMS) 產(chǎn)品系列正是為了滿足這種需求而設(shè)計(jì)的，這些產(chǎn)品系列廣受歡迎，是目前在產(chǎn)及投入使用的小汽車和客車中采用的，也是為數(shù)不多的 BMS 品牌之一。

目前，大型、高壓可充電電池系統(tǒng)是電動(dòng)型汽車中常見的動(dòng)力源。這類大型電池組由串聯(lián) / 并聯(lián)電池陣列組成，能夠存儲(chǔ)大量能量(數(shù)10千瓦時(shí))。鋰聚合物或 LiFePO4 電池是常見選擇，因?yàn)檫@類電池能量密度高，有很強(qiáng)的峰值功率能力。與單節(jié)電池應(yīng)用一樣，必須仔細(xì)控制這類電池組中各節(jié)電池的充電，并嚴(yán)格監(jiān)控各節(jié)電池，以確保安全運(yùn)行，防止電池過早老化或損壞。不過，與單節(jié)電池系統(tǒng)不同的是，串聯(lián)連接的電池組產(chǎn)生了一個(gè)額外的要求：電池平衡。

當(dāng)電池組中的所有電池都有同樣的電荷狀態(tài)(SoC)時(shí)，這些電池是“平衡的”。SoC 指的是，隨著各節(jié)電池的充電和放電，其當(dāng)前剩余容量與其最大容量之比。例如，一個(gè)10 A-hr電池，當(dāng)前剩余容量是 5A-hr，那么其 SoC 就是50%。所有電池都必須保持在同一個(gè)SoC范圍之內(nèi)，以避免損壞或縮短壽命。如應(yīng)用不同，所允許的SoC最小值和最大值也不同。在最重視電池運(yùn)行時(shí)間的應(yīng)用中，所有電池都可能在20% SoC最小值和100% (滿充電狀態(tài))最大值之間運(yùn)行。要求電池壽命最長的應(yīng)用也許限制SoC范圍為最小30% 至最大70%。這些數(shù)值是電動(dòng)型汽車的典型 SoC 限制，這類汽車采用非常大、非常昂貴的電池，更換成本極高。BMS 的主要作用就是，仔細(xì)監(jiān)視電池組中的所有電池，確保所有電池在充電和放電時(shí)，無一超出該應(yīng)用的最小和最大SoC限制。

對(duì)于串聯(lián)/并聯(lián)電池陣列，假定并聯(lián)連接的電池相互之間會(huì)自動(dòng)平衡，一般而言是安全的。也就是說，隨著時(shí)間變化，并聯(lián)連接電池的電荷狀態(tài)會(huì)自動(dòng)平衡，只要電池端子之間的傳導(dǎo)通路存在。假定串聯(lián)連接電池的電荷狀態(tài)隨時(shí)間變化往往出現(xiàn)偏離，導(dǎo)致偏離的因素有多種。電池包中電池的溫度變化率或阻抗不同、自放電速率不同或各節(jié)電池的加載不同，都可能導(dǎo)致 SoC逐漸發(fā)生變化。盡管與電池包的充電和放電電流相比，電池之間的這些不同往往顯得不那么重要，但是電荷狀態(tài)失配會(huì)逐漸累積而不會(huì)減弱，除非對(duì)所有電池進(jìn)行周期性平衡。各節(jié)電池的 SoC會(huì)逐步變化，需要補(bǔ)償，這是平衡串聯(lián)連接電池的最根本理由。一般而言，對(duì)于容量嚴(yán)格匹配的電池組，無源或消耗性平衡方法足以應(yīng)對(duì)SoC 的再平衡問題。

無源平衡方法簡單、價(jià)格低廉。然而，無源平衡速度非常慢，在電池包內(nèi)部產(chǎn)生不想要的熱量，是通過降低所有電池的剩余容量以與電池組中SoC最低的電池匹配，從而實(shí)現(xiàn)電池平衡。由于另一個(gè)常見問題，即容量失配，因而無源平衡方法有效應(yīng)對(duì)SoC誤差的能力也不足。所有電池都隨著老化而出現(xiàn)容量下降，而且由于與前述類似的原因，容量下降的速度往往不同。既然入出所有串聯(lián)電池的電池組電流是相等的，那么電池組中容量最低的電池就決定了電池組的可用容量。只有有源平衡方法才能在整個(gè)電池組范圍內(nèi)重新分配電荷，補(bǔ)償電池之間失配導(dǎo)致的容量下降。

電池之間無論是容量還是SoC失配，都會(huì)嚴(yán)重降低電池組的可用容量，除非電池之間是平衡的。要最大限度提高電池組容量，就要求在電池組充電和放電時(shí)，電池之間是平衡的。

例如，有一個(gè)由10 節(jié)電池串聯(lián)組成的電池組，每節(jié)電池都是 100A-hr (標(biāo)稱值)，從容量最小的電池到容量最大的電池，容量誤差為+/-10%，對(duì)這個(gè)電池組充電和放電，直至達(dá)到預(yù)先設(shè)定的SoC限制為止。如果SoC值限制在 30% 至70%，且沒有進(jìn)行電池平衡，那么在一次完整的充電/放電周期之后，相對(duì)于這些電池的理論可用容量，實(shí)際可用電池組容量降低25%。在電池組充電時(shí)，無源平衡方法理論上可以平衡每節(jié)電池的SoC，但是在電池組放電時(shí)，這種方法卻無法防止10 號(hào)電池先于其他電池達(dá)到 30% SoC 值。即使在電池組充電時(shí)采用了無源平衡，在電池組放電時(shí)仍然會(huì)有大量容量“丟失”(不可用)。只有采用有源平衡解決方案，在電池組放電時(shí)，從高SoC電池向低SoC電池重新分配電荷，才能實(shí)現(xiàn)“容量恢復(fù)”。

采用 “理想的”有源平衡方法，可以100%恢復(fù)由于電池失配而“丟失的”容量。在穩(wěn)定狀態(tài)下使用這種方法時(shí)，當(dāng)電池組從其70% SoC“滿”充電狀態(tài)放電時(shí)，必須將1號(hào)電池(容量最大的電池) 存儲(chǔ)的電荷有效地取出，并傳送給10號(hào)電池(容量最小的電池)，否則10號(hào)電池就會(huì)先于其余電池達(dá)到其 30% 最低SoC 值，這時(shí)電池組放電必須停止，以防電池組壽命進(jìn)一步縮短。類似地，在充電時(shí)，電荷必須從10號(hào)電池轉(zhuǎn)移出來，重新分配給1號(hào)電池，否則10號(hào)電池就會(huì)先于其他電池達(dá)到其 70% SoC 上限，充電周期就必須終止。在電池組工作壽命期內(nèi)的某一點(diǎn)，電池老化程度的不同將不可避免地導(dǎo)致電池之間的容量失配。只有有源平衡解決方案才能通過按需從高 SoC 電池向低 SoC 電池重新分配電荷，以實(shí)現(xiàn) “容量恢復(fù)”。要想在電池組壽命期內(nèi)實(shí)現(xiàn)最大電池組容量，就需要用有源平衡解決方案給各節(jié)電池高效率地充電和放電，以在整個(gè)電池組內(nèi)保持SoC 平衡。

凌力爾特的 LTC3300(參見圖1) 是一款專門為滿足電動(dòng)型汽車高性能有源平衡需求而設(shè)計(jì)的新產(chǎn)品。LTC3300 是一款高效率、雙向有源平衡控制 IC，是高性能BMS系統(tǒng)的關(guān)鍵組件。每款 IC 都可以同時(shí)平衡多達(dá) 6 節(jié)串聯(lián)連接的鋰離子或 LiFePO4 電池。

圖 1：凌力爾特的 LTC3300 是一款面向電動(dòng)型汽車的雙向有源電池平衡器

SoC平衡是通過在指定電池和多達(dá)12節(jié)或更多相鄰電池之間重新分配電荷來實(shí)現(xiàn)。平衡決策和平衡算法必須由一個(gè)單獨(dú)的、控制LTC3300的監(jiān)視器件和系統(tǒng)處理器來處理。從指定電池向12節(jié)或更多相鄰電池重新分配電荷，以給該電池放電。類似地，從12節(jié)或更多相鄰電池向指定電池傳送電荷，以給該電池充電。所有平衡器都可以同時(shí)以某一電荷傳送方向運(yùn)行，以最大限度縮短電池組平衡時(shí)間。所有平衡控制命令都通過一個(gè)可疊置的、噪聲裕度很大的串行 SPI 接口提供給每個(gè)IC，而對(duì)疊置高度沒有限制。

LTC3300 中的每個(gè)平衡器都采用非隔離式、邊界模式同步反激式電源級(jí)，以實(shí)現(xiàn)各節(jié)電池的高效率充電和放電。6 個(gè)平衡器中每一個(gè)都需要自己的變壓器。每個(gè)變壓器的“主”邊都跨接在被平衡的電池兩端，“副”邊則跨接在12節(jié)或更多相鄰電池構(gòu)成的電池組的兩端，其中包括被平衡的電池。副邊跨接的電池?cái)?shù)量僅受到外部組件擊穿電壓的限制。與外部開關(guān)和變壓器的調(diào)節(jié)范圍相對(duì)應(yīng)，電池的充電和放電電流可通過外部檢測(cè)電阻器設(shè)定為高達(dá)10A以上的值。是否排序以及是否對(duì)通過主邊和副邊組件的 IPEAK/IZERO 電流進(jìn)行檢測(cè)，取決于平衡器是否啟動(dòng)以給某節(jié)電池充電或放電。通過同步運(yùn)行和恰當(dāng)?shù)剡x擇組件可以實(shí)現(xiàn)高效率。各個(gè)平衡器都是通過BMS系統(tǒng)處理器啟動(dòng)的，這些平衡器將保持啟動(dòng)狀態(tài)，直到BMS命令要求停止平衡或者檢測(cè)到故障情況為止。

電池包最大的難題之一是熱量。高環(huán)境溫度會(huì)迅速縮短電池壽命并降低其性能。不幸的是，在大電流電池系統(tǒng)中，平衡電流也必須很大，以延長運(yùn)行時(shí)間，或?qū)崿F(xiàn)電池包的快速充電。效率欠佳的平衡器會(huì)導(dǎo)致電池系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生不想要的熱量，這個(gè)問題必須通過減少在給定時(shí)間可以運(yùn)行的平衡器數(shù)量或者通過昂貴的減熱方法來解決。LTC3300在充電和放電方向都能實(shí)現(xiàn)>90% 的效率，相對(duì)于效率為80%的解決方案而言，在平衡器功耗相等的情況下，這允許平衡電流提高一倍以上。此外，平衡器效率越高，電荷分配就越有效，這又會(huì)使容量恢復(fù)更有效、充電速度更快。

圖 2：LTC3300 怎樣在整個(gè)電池組內(nèi)傳送電荷

在整個(gè)電池組內(nèi)傳送電荷是通過副邊交錯(cuò)連接實(shí)現(xiàn)的，如圖 2 所示。以這種方式交錯(cuò)連接，允許電荷從 6 節(jié)電池構(gòu)成的任何電池組傳送到相鄰電池組。請(qǐng)注意，相鄰電池在電池組中可以是上面的電池，也可以是下面的電池。當(dāng)優(yōu)化平衡算法時(shí)，這種靈活性非常有用。對(duì)交錯(cuò)系統(tǒng)的常見誤解是：從非常長的電池組的頂部向底部重新分配電荷效率一定非常低，因?yàn)閺捻敳肯虻撞恳苿?dòng)電荷需要大量轉(zhuǎn)換。然而實(shí)際上，僅通過向或自最靠近需要平衡的電池的那些電池重新分配電荷，就可完成大多數(shù)平衡。在由10節(jié)或更多節(jié)電池組成的副邊電池組中，僅通過運(yùn)行1個(gè)平衡器，就允許比較薄弱的電池恢復(fù)超過 90%“丟失”的容量，否則這種電池就會(huì)限制整個(gè)電池組的運(yùn)行時(shí)間。因此，憑借LTC3300 的交錯(cuò)拓?fù)洌瑹o需從電池組頂部一路將電荷移動(dòng)到底部，大多數(shù)平衡工作是靠相鄰電池在局部完成的。

除了提供出色的電氣性能，LTC3300 雙向有源平衡器還提供很多行車安全功能，以防止平衡時(shí)出現(xiàn)閃失，并保持最高可靠性。數(shù)據(jù)完整性校驗(yàn) (對(duì)所有入出數(shù)據(jù)、看門狗定時(shí)器和回讀數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC 校驗(yàn)) 防止平衡器響應(yīng)意外或錯(cuò)誤的命令。可編程伏-秒箝位確保平衡時(shí)電流檢測(cè)故障不會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)電流失控。逐電池過壓和欠壓校驗(yàn)以及副邊過壓檢測(cè)可在平衡時(shí)防止突然發(fā)生的電池束線故障損壞平衡電路。

這些特性使 LTC3300 能夠在串聯(lián)電池系統(tǒng)中提供高性能，并提供可靠的有源平衡，例如電動(dòng)型汽車中常見的那類串聯(lián)電池系統(tǒng)。隨著這類系統(tǒng)中電池的老化或需要更換，補(bǔ)償由此導(dǎo)致的電池容量失配以防進(jìn)一步損害運(yùn)行時(shí)間、充電時(shí)間或電池包壽命，這變得越來越重要了。