用于電動汽車與大容量存儲的有源電池平衡技術(shù)

均衡電池單個電池充電/放電特性的技術(shù)對于延長電動汽車和許多便攜式電子產(chǎn)品的使用壽命至關(guān)重要。事實(shí)上，本系列第一部分討論的無源電池平衡技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)今混合動力電動和插電式混合動力車（PHEV）使用的大多數(shù)5千瓦時-20千瓦時電池中保護(hù)和管理系統(tǒng)的一部分。這些“智能”無源平衡系統(tǒng)使用阻抗跟蹤，庫侖計(jì)數(shù)和其他充電狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)（圖1）。

圖1 ：電池管理在現(xiàn)代EV推進(jìn)系統(tǒng)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。 （由Maxim Integrated Circuits提供）。

由于即使是這些先進(jìn)的無源平衡系統(tǒng)也可以通過反復(fù)排出較弱電池中的能量來使容量更高的電池完全充電，但它們只能解鎖電池的一部分“滯留“能力。因此，如果25-100千瓦時的電池被動平衡，那么下一代純電動汽車是否能夠容忍損失范圍和丟失充電/放電循環(huán)存在激烈的爭論。

至少在理論上更好的選擇是有源電池平衡系統(tǒng)，它從較強(qiáng)的電池重新分配電荷，以支撐電池組內(nèi)較弱的電池。但是，雖然電子制造商正在推廣其早期有源電池平衡技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，但許多電池和電動汽車制造商都擔(dān)心有源系統(tǒng)的額外成本和復(fù)雜性是否值得他們提供的擴(kuò)展范圍和使用壽命。

在本文中，我們將詳細(xì)介紹有源電池平衡技術(shù)，以及它們可能在下一代電動汽車和其他大容量存儲應(yīng)用中發(fā)揮作用。

為什么有源電池平衡？

如第一部分所述，無源（“頂部”）平衡可防止容量較低的電池限制電容較大的電池可接受的電荷。這是通過使用泄放電阻器卸載過充電電池來完成的（圖2），因此它們的輸出電壓低于充電器的電壓調(diào)節(jié)點(diǎn)，因此堆棧的其余部分可以繼續(xù)充電。為了防止損壞，必須經(jīng)常對單個電池條件進(jìn)行采樣，筆記本電池通常以每秒4-10個樣本（sps）和20-100 sps的EV/HEV電池進(jìn)行監(jiān)控。

圖2：可以使用通用組件（圖2a）或?qū)Ｓ肐C（2b）來實(shí)現(xiàn)被動單元平衡。 （由英飛凌和ADI公司提供）。

雖然無源頂部平衡消除了災(zāi)難性電池故障的風(fēng)險(xiǎn)，并在運(yùn)行時間和使用壽命方面有所改善，但它有效地將電池組的總電流容量降低到最弱的細(xì)胞。由于被動平衡通常僅在電池充電時才進(jìn)行，因此無法修復(fù)運(yùn)行期間產(chǎn)生的不平衡（由于內(nèi)部阻抗和自放電），這進(jìn)一步降低了容量。

另一種選擇是主動平衡技術(shù)，它將更強(qiáng)的細(xì)胞過剩電荷轉(zhuǎn)移到需要它的一個或多個細(xì)胞。大多數(shù)有源系統(tǒng)使用的開關(guān)MOSFET類似于無源機(jī)制中使用的開關(guān)MOSFET，除了它們替代電感器用于放電電阻器，該放電電阻器用作變壓器的次級側(cè)，其主要位于整個電池組中（圖3）。

圖3：使用MCU監(jiān)控電池電壓并控制電感耦合電荷泵的電感耦合有源電池平衡。 MCU的A/D輸入上的濾波器電路允許測量電荷泵變壓器初級側(cè)的電池電壓。 （由英飛凌提供）。

有源頂部平衡（圖4）是通過將具有較高電壓的電池暫時連接到平衡電路的次級繞組來實(shí)現(xiàn)的，從而在初級繞組上產(chǎn)生感應(yīng)電壓。然后打開“施主”電池的開關(guān)，關(guān)閉“接收器”電池上的開關(guān)，使初級電能被驅(qū)回其次級繞組。這種技術(shù)允許在充電，待機(jī)或放電期間在電池之間傳輸能量，效率接近85％。

圖4：頂部平衡使用有源磁開關(guān)電路（4a）通過激勵變壓器的次級繞組之一以在其初級繞組（4b）中感應(yīng)電流來執(zhí)行。 （由英飛凌提供）。

有源電感平衡也可用于執(zhí)行“底部平衡”，允許更強(qiáng)的細(xì)胞與較弱的細(xì)胞共享其電荷。底部平衡可以在任何時間完成，但通常在放電循環(huán)期間完成，因?yàn)榫哂休^小容量的電池接近其最大放電極限。在這種情況下，初級繞組通過電池組電壓的脈沖通電，所有電池上的次級開關(guān)打開。一旦初級線圈通電，關(guān)閉要充電的電池的次級線圈的連接，允許傳輸儲存的能量（圖5）。底部平衡解鎖了原本會被“擱淺”在電池內(nèi)部的能量。

圖5：使用有源磁開關(guān)電路進(jìn)行底部平衡（5a）通過激勵變壓器的初級側(cè)以在其次級繞組之一中感應(yīng)出電流來執(zhí)行。 （圖5b）。 （由英飛凌提供）。

大多數(shù)有源平衡設(shè)計(jì)采用上述技術(shù)的變體，但德州儀器開發(fā)了一種替代架構(gòu)，稱為PowerPump。 PowerPump使用簡單的電荷耦合開關(guān)在相鄰單元之間切換電荷，而不是前面描述的經(jīng)典的一對多架構(gòu)（圖6）。該電路工作頻率約為200 kHz，可通過Q2的體二極管切換Q1，將電流從頂部電池推向底部電池。同樣，通過將開關(guān)波形施加到Q2，可以使電荷從下部電池穿梭到上部電池。由于所涉及的損耗相對較低，因此PowerPump電路通過將多余電荷通過“斗式旅”方式傳遞到其他所需的位置來增強(qiáng)非相鄰電池是切實(shí)可行的。

圖6：Texas Instrument的PowerPump電池平衡技術(shù)使用簡單的電荷穿梭方案在相鄰電池之間傳輸能量。

例如，TIbq78PL114主網(wǎng)關(guān)電池控制器是專為大型串聯(lián)電池串設(shè)計(jì)的完整鋰離子控制，監(jiān)控和安全解決方案的一部分。德州儀器最近還推出了基于PowerPump技術(shù)的汽車級有源平衡解決方案，將在下一節(jié)中討論。

實(shí)施策略

所有電池平衡技術(shù)必須在電池組的其他電池管理和保護(hù)功能的框架。在大多數(shù)汽車設(shè)計(jì)中，用于電池平衡算法和控制功能的軟件將在符合汽車標(biāo)準(zhǔn)的主機(jī)MCU上運(yùn)行，通常位于電池管理系統(tǒng)（BMS）本身內(nèi)（圖7）。 BMS MCU通?？梢允褂孟嗤碾娮釉O(shè)備來確定電池的“電量計(jì)”和充電管理系統(tǒng)的電池電壓，充電/放電電流和充電狀態(tài)（SOC），以執(zhí)行其電池平衡操作所需的類似測量。如本系列的第I部分所述，電池單元的SOC可以使用精確的電壓測量來確定，或者如果需要更高的精度，則與庫侖計(jì)數(shù)或測量流入和流出電池的總電流的一些其他技術(shù)相結(jié)合。在任何一種情況下，電池電壓測量都需要一個分辨率為12到14位的A/D轉(zhuǎn)換器。

圖7：框圖典型的電池管理系統(tǒng)。 （德州儀器公司提供）。

目前，大多數(shù)制造商都沒有提供有源電池平衡的完整集成解決方案，但它們提供現(xiàn)成的產(chǎn)品，可處理必要的A/D，多路復(fù)用，電平轉(zhuǎn)換和通信功能可以減少部件數(shù)量，模塊尺寸和BOM成本。

例如，Maxim提供專為鋰基汽車存儲系統(tǒng)開發(fā)的12通道高壓電池監(jiān)控器（圖8a）組合了一個12位SAR型A/D，一個由簡單狀態(tài)機(jī)控制的高壓開關(guān)組輸入。它配備了用于SMBus梯形串行通信的高速I2C總線。 MAX11080不是依賴主處理器進(jìn)行故障保護(hù)，而是用于在任何單元超過用戶可選閾值超過設(shè)定程序時提供瞬時過壓或欠壓故障指示。 - 延遲間隔（圖8b）。目前，Maxim的產(chǎn)品線僅提供無源平衡解決方案，但這些器件同樣適用于有源解決方案的測量和保護(hù)元件。

圖8：集成電池單元監(jiān)控和保護(hù)解決方案，最多可支持12個鋰離子電池。

有源平衡電路也可以使用可尋址驅(qū)動器實(shí)現(xiàn)，該驅(qū)動器允許主機(jī)MCU控制一系列功率MOSFET，這些功率MOSFET用作平衡變壓器的主要和次要支路上的開關(guān)。具有快速開關(guān)特性和低R dson 的MOSFET功率器件，如英飛凌的OptiMOS系列，Microsemi的CoolMOS器件和飛兆半導(dǎo)體的PowerTrench集成FET +肖特基產(chǎn)品，具有高效電荷轉(zhuǎn)移所需的速度，電流容量和低開關(guān)損耗如果主動電池平衡技術(shù)在主流應(yīng)用中得到認(rèn)可，那么大多數(shù)參與電池管理的IC制造商可能會提供更高度集成的產(chǎn)品，以支持主動平衡方案。

但是，目前，唯一一家提供具有有源電池平衡功能的汽車級電池管理IC的公司是德州儀器。 bq76PL536-Q1（圖9）基于TI的PowerPump充電穿梭技術(shù)，可為多達(dá)六個電池提供電池監(jiān)控，電氣/熱保護(hù)和有源平衡。其高速（SPI）總線允許器件垂直堆疊，在高達(dá)192個電池的高壓電池組堆疊上提供可靠的通信，無需額外隔離。

圖9：德州儀器（TI）的bq76PL536-Q1的框圖，這是一款具有集成有源電池平衡功能的汽車級電池監(jiān)控/保護(hù)器件。 （由Texas Instruments提供）。

bq76PL536-Q1具有第二個I2C總線，用于與主機(jī)MCU通信，主機(jī)MCU編程和控制其片上監(jiān)控和平衡功能。使用比較器檢測過壓，欠壓和過溫條件下的故障（二次）保護(hù)，因此它們獨(dú)立于ADC系統(tǒng)和主機(jī)控制器，以確保快速，確定的響應(yīng)。所有保護(hù)閾值和檢測延遲時間均可通過I2C主機(jī)接口進(jìn)行編程，并存儲在內(nèi)部EPROM中。

結(jié)論

TI bq76PL536-Q1等高度集成的解決方案將有助于縮小有源和無源電池平衡系統(tǒng)之間的成本差異。但由于某些無源解決方案的成本較低，目前尚不清楚有源技術(shù)所增加的運(yùn)行時間和電池壽命是否會超過它為EV的BMS帶來的額外成本和復(fù)雜性。至少部分問題的答案在于制造商能夠在汽車電池的質(zhì)量和均勻性方面提供多少改進(jìn)。如果通過制造工藝，電池化學(xué)和納米材料的進(jìn)步可以進(jìn)一步縮小今天電池的容量和阻抗變化（通常為2％-3％），那么除了最大的電動車電池之外的所有電池都可以通過簡單的方式實(shí)現(xiàn)最小的損耗。 ，低成本的被動系統(tǒng)。 Maxim Semiconductor最近進(jìn)行的一項(xiàng)研究計(jì)算出有效平衡可以增加到汽車電池組的10％-12％額外充電/放電循環(huán)的價(jià)值。假設(shè)電池組售價(jià)5000美元，主動平衡可以解鎖價(jià)值約500美元的附加值，盡管它超過了車輛的8。5年使用壽命。如果這項(xiàng)研究是正確的，那么制造商可能難以證明每年70美元的節(jié)省成本，除非主動平衡的額外成本相對較低，并且還使車輛有明顯的提升范圍（5％-10％）。

另一方面，主動平衡技術(shù)的支持者表示，一旦高度集成的解決方案到來，它們的實(shí)施成本將低于當(dāng)今的無源系統(tǒng)。這些成本節(jié)約主要是因?yàn)橄税嘿F的高功率電阻，熱管理組件以及為下一代電動汽車供電的100+ kWh電池組所需的高電流接線。

雖然現(xiàn)在判斷有源電池平衡是否會成為EV/HEV電池管理系統(tǒng)事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)還為時尚早，但可以肯定的是，它將成為高性能車輛和其他運(yùn)行時，能源應(yīng)用的首選技術(shù)。效率和使用壽命至關(guān)重要。