最大化汽車電池包的運(yùn)行時(shí)間的方案

由串聯(lián)連接、高能量密度、高峰值功率的鋰聚合物或磷酸鐵鋰(LiFePO4)電池單元組成的大電池包，廣泛用于從純電動(dòng)車輛(EV或BEV)、油電混合動(dòng)力車輛(HEV)、插電式混合動(dòng)力車輛()到能源存儲(chǔ)系統(tǒng)(ESS)的各類應(yīng)用中。特別是電動(dòng)汽車市場(chǎng)，預(yù)計(jì)會(huì)對(duì)大型串聯(lián)/并聯(lián)電池單元陣列產(chǎn)生巨大需求。2016年全球PHEV汽車銷量為77.5萬(wàn)輛，預(yù)計(jì)2017年銷量為113萬(wàn)輛。盡管對(duì)大容量電池單元的需求不斷增長(zhǎng)，電池價(jià)格仍然相當(dāng)高，構(gòu)成EV或PHEV中價(jià)格最高的組件，支持續(xù)航小幾百公里的電池價(jià)格通常在10,000美元左右。高成本可以通過(guò)使用低成本/翻新的電池單元來(lái)化解，但此類電池單元也將具有更大的容量不匹配性，進(jìn)而減少單次充電后的可用運(yùn)行時(shí)間或可行駛距離。即便是較高成本、較高質(zhì)量的電池單元，重復(fù)使用后也會(huì)老化且不匹配。提高具有不匹配電池單元的電池包容量有兩種辦法：一種是從一開(kāi)始就使用更大的電池，但這樣做的性價(jià)比不高;另一種是使用主動(dòng)均衡，這是一種新技術(shù)，可以恢復(fù)電池包中的電池容量，快速增強(qiáng)動(dòng)力。

全串聯(lián)電池單元需要均衡

當(dāng)電池包中的每個(gè)電池單元具有相同的充電狀態(tài)(SoC)時(shí)，我們說(shuō)電池包中的電池單元是均衡的。SoC是指當(dāng)電池充電和放電時(shí)，單個(gè)電池的當(dāng)前剩余容量相對(duì)于其最大容量的比例。例如，一個(gè)10安時(shí)的電池單元若有5安時(shí)的剩余容量，則其SoC為50%。所有電池單元都必須保持在某一SoC范圍內(nèi)，以避免損壞電池或縮短壽命。SoC的允許最小和最大值因應(yīng)用而異。在電池運(yùn)行時(shí)間至關(guān)重要的應(yīng)用中，所有電池單元可以在20%的最小SoC和100%的最大SoC(或滿電狀態(tài))之間工作。需要最長(zhǎng)電池壽命的應(yīng)用可能會(huì)將SoC范圍限制在最小30%到最大70%之間。這些是電動(dòng)汽車和電網(wǎng)儲(chǔ)存系統(tǒng)的典型SoC限制，它們使用非常大且昂貴的電池，更換成本極高。電池管理系統(tǒng)(BMS)的主要作用是嚴(yán)密監(jiān)控電池包中的所有單元，確保沒(méi)有任何電池單元充電或放電超出該應(yīng)用的最小和最大SoC限值。

對(duì)于串聯(lián)/并聯(lián)電池單元陣列，一般可以認(rèn)為并聯(lián)連接的電池單元彼此之間會(huì)自動(dòng)均衡。也就是說(shuō)，隨著時(shí)間推移，只要電池單元端子之間存在導(dǎo)電路徑，并聯(lián)連接的電池單元之間的充電狀態(tài)就會(huì)自動(dòng)均衡。同樣可以認(rèn)為，串聯(lián)連接的電池單元的充電狀態(tài)會(huì)隨著時(shí)間推移而出現(xiàn)差異，原因有多方面。整個(gè)電池包中的溫度梯度、阻抗、自放電速率或各電池單元負(fù)載之間的差異，可能導(dǎo)致SoC逐漸變化。盡管電池包充電和放電電流有助于使這些電池單元間差異變小，但除非周期性地均衡電池單元，否則累積的不匹配性將會(huì)有增無(wú)減。補(bǔ)償電池單元的SoC漸變是均衡串聯(lián)電池的最基本原因。通常情況下，被動(dòng)或耗散均衡方案足以重新均衡電池包中容量接近的電池單元的SoC。

如圖1a所示，被動(dòng)均衡既簡(jiǎn)單又便宜。然而，被動(dòng)均衡也非常緩慢，會(huì)在電池包內(nèi)部產(chǎn)生有害的熱量，均衡結(jié)果是將所有電池單元的剩余容量減少到與電池包中SoC最低的電池單元一致。此外，被動(dòng)均衡缺乏能力有效解決另一種常見(jiàn)現(xiàn)象——容量不匹配引起的SoC誤差。所有電池單元在老化時(shí)都會(huì)損失容量，損失速率往往不同，原因類似于串聯(lián)電池單元的充電狀態(tài)隨著時(shí)間推移而出現(xiàn)差異。電池包電流均等地流入和流出所有串聯(lián)電池單元，因此電池包的可用容量取決于電池包中容量最低的電池單元。只有圖1b和圖1c所示的主動(dòng)均衡方法可以讓電荷在整個(gè)電池包中重新分配，補(bǔ)償電池單元間不匹配所造成的容量損失。

圖1. 電池單元均衡典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

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。在圖2所示的例子中，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。

圖2. 電池單元間不匹配導(dǎo)致電池包容量損失的例子。

圖3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。

圖3. 理想主動(dòng)均衡實(shí)現(xiàn)容量恢復(fù)。

高效率、雙向均衡提供最高容量恢復(fù)

(見(jiàn)圖4)是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IC LTC3300-2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(kāi)關(guān)和變壓器調(diào)整來(lái)設(shè)置，最高達(dá)到10 A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。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。

圖5. LTC3300-2功率級(jí)性能。

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(méi)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。

作者

Tony Armstrong是電源產(chǎn)品營(yíng)銷總監(jiān)，于2000年5月加入公司。他負(fù)責(zé)電源轉(zhuǎn)換和管理產(chǎn)品方面從概念到停產(chǎn)的所有事情。加入公司之前，Tony在Siliconix Inc.、Semtech Corp.、Fairchild Semiconductors和Intel Corp.歐洲公司擔(dān)任過(guò)營(yíng)銷、銷售和運(yùn)營(yíng)方面的不同職位。他于1981年畢業(yè)于英格蘭曼徹斯特大學(xué)，獲得應(yīng)用數(shù)學(xué)(榮譽(yù))學(xué)士學(xué)位。

Sam Nork于1988年作為高級(jí)產(chǎn)品工程師加入總部位于加利福尼亞州苗必達(dá)的凌力爾特公司(現(xiàn)已成為ADI公司的成員)。1994年，他被調(diào)往波士頓地區(qū)，開(kāi)辦并管理一個(gè)模擬IC設(shè)計(jì)中心，并一直工作到現(xiàn)在。Sam親自設(shè)計(jì)并發(fā)布了便攜式電源管理領(lǐng)域的眾多集成電路，而且是7項(xiàng)已授權(quán)專利的發(fā)明人/共同發(fā)明人。作為ADI公司波士頓設(shè)計(jì)中心總監(jiān)，Sam領(lǐng)導(dǎo)著一支近100人的團(tuán)隊(duì)，監(jiān)督各種模擬集成電路的日常開(kāi)發(fā)活動(dòng)，涉及便攜式電源管理、高速運(yùn)算放大器、工業(yè)ADC、系統(tǒng)監(jiān)控和能量收集等領(lǐng)域。在任職設(shè)計(jì)中心之前，Sam曾在馬薩諸塞州威明頓擔(dān)任ADI公司的產(chǎn)品/測(cè)試開(kāi)發(fā)工程師。他擁有達(dá)特茅斯學(xué)院文學(xué)學(xué)士和工學(xué)學(xué)士學(xué)位。