串联电池的主动平衡解决方案

大型高压可充电电池系统现在是电动汽车、电网负载均衡系统等各种应用中的常见电源。这些大型电池组由单个电池单元的串联/并联阵列组成，能够存储大量能量(数十千瓦时)。锂聚合物或 LiFePO4 电池因其高能量密度和高峰值功率能力而成为常见的技术选择。

与单电池应用一样，对电池充电和监控的严格控制对于确保安全运行和防止电池过早老化或损坏至关重要。然而，与单电池系统不同，串联电池组还有一项额外要求：电池平衡。

所有串联电池都需要平衡

当电池组中的每个电池都具有相同的充电状态 (SoC) 时，电池组中的电池即为“平衡”。SoC 是指单个电池在充电和放电过程中的当前剩余容量相对于其最大容量的比例。例如，一个剩余容量为 5A-hrs 的 10A-hr 电池的充电状态 (SoC) 为 50%。

所有电池单元必须保持在 SoC 范围内，以避免损坏或使用寿命缩短。允许的 SoC 最小值和最大值因应用而异。在电池运行时间至关重要的应用中，所有电池单元的 SoC 最小值和最大值可能在 20% 和 100%(或完全充电状态)之间运行。

要求电池寿命最长的应用可能会将 SoC 范围限制在 30%(最小值)至 70%(最大值)之间。这些是电动汽车和电网存储系统中常见的 SoC 限制，这些系统使用非常大且昂贵的电池，更换成本极高。电池管理系统 (BMS) 的主要作用是仔细监控电池组中的所有电池，并确保任何电池的充电或放电均不超过应用的最小和最大 SoC 限制。

对于串联/并联电池阵列，通常可以安全地假设并联的电池会相互自动平衡。也就是说，只要电池端子之间存在导电路径，随着时间的推移，并联电池之间的充电状态就会自动均衡。

也可以安全地假设，由于多种因素，串联电池的充电状态会随着时间的推移而出现差异。由于整个电池组的温度梯度或阻抗、自放电率或电池之间的负载差异，SoC 可能会逐渐发生变化。尽管电池组的充电和放电电流往往会使这些电池之间的差异相形见绌，但除非定期平衡电池，否则累积的不匹配会持续增长。

补偿电池之间 SoC 的逐渐变化是平衡串联电池的最基本原因。通常，被动或耗散平衡方案足以重新平衡容量接近的电池组中的 SoC。

如图 1A 所示，被动平衡简单且成本低廉。然而，被动平衡也非常慢，会在电池组内部产生不必要的热量，并且通过减少所有电池的剩余容量来匹配电池组中最低 SoC 电池来实现平衡。

图 1：典型的电池平衡拓扑

被动平衡也无法有效解决 SoC 错误，这是由于另一种常见情况：容量不匹配。所有电池都会随着老化而损失容量，而且由于与上述原因类似，它们往往以不同的速度损失容量。

由于电池组电流平等地流入和流出所有串联电池，因此电池组的可用容量由电池组中容量最低的电池决定。只有图 1B 和 1C 所示的主动平衡方法才能重新分配整个电池组的电荷，并补偿由于电池之间不匹配而造成的容量损失。

电池间不匹配会大大缩短运行时间

除非电池平衡，否则容量或 SoC 上的电池间不匹配可能会严重降低可用的电池组容量。最大化电池组容量要求在电池组充电和放电期间平衡电池。

在图 2 所示的示例中，一个由 10 个电池串联组成的电池组(标称)容量为 100A-hr 的电池，从最小容量电池到最大容量电池的容量误差为 +/- 10%，该电池组充电和放电直至达到预定的 SoC 限值。如果 SoC 水平被限制在 30% 到 70% 之间，并且没有执行平衡，则相对于电池的理论可用容量，完整的充电/放电周期后，可用的电池组容量会减少 25%。

图 2：由于电池间不匹配导致的电池组容量损失示例

被动平衡理论上可以在电池组充电阶段均衡每个电池的 SoC，但无法阻止电池 10 在放电期间先于其他电池达到 30% 的 SoC 水平。即使在电池组充电期间使用被动平衡，在电池组放电期间也会“损失”(无法使用)大量容量。只有主动平衡解决方案才能通过在电池组放电期间将电荷从高 SoC 电池重新分配到低 SoC 电池来实现“容量恢复”。

图 3 说明了如何使用“理想”主动平衡实现 100% 恢复由于电池间不匹配而“丢失”的容量。在稳定状态使用期间，当电池组从其 70% SoC“完全”充电状态放电时，存储的电荷实际上必须从电池 1(容量最高的电池)中取出并转移到电池 10(容量最低的电池)——否则电池 10 会先于其余电池达到其 30% 的最低 SoC 点，并且电池组放电必须停止以防止进一步缩短使用寿命。

图 3：理想主动平衡带来的容量恢复

类似地，在充电阶段，必须从电池 10 中移除电荷 并重新分配到电池 1 中，否则电池 10 首先达到其 70% 的 SoC 上限，充电周期必须停止。在电池组使用寿命的某个时刻，电池老化的变化将不可避免地造成电池之间的容量不匹配。

只有主动平衡解决方案才能根据需要将电荷从高 SoC 电池重新分配到低 SoC 电池，从而实现“容量恢复”。要在电池组的整个使用寿命内实现最大电池组容量，需要主动平衡解决方案来高效地对各个电池进行充电和放电，以保持整个电池组的 SoC 平衡。

示例：高效双向平衡提供最高容量恢复

LTC3300 高效双向主动平衡控制 IC(见图 4)是一款专为满足高性能主动平衡需求而设计的新产品。每个 IC 可同时平衡多达 6 个串联的锂离子或磷酸铁锂电池。

图 4：LTC3300 高效率双向多电池主动平衡器

SoC 平衡是通过在选定电池和多达 12 个或更多相邻电池的子堆栈之间重新分配电荷来实现的。平衡决策和平衡算法必须由控制 LTC3300 的单独监控设备和系统处理器处理。电荷从 选定电池重新分配到一组 12 个或更多相邻电池，以便放电。

类似地，电荷从一组 12 个或更多相邻电池转移到 选定的电池，以便为该电池充电。所有平衡器可以同时在任一方向运行，以最大限度地缩短堆栈平衡时间。所有平衡控制命令都通过可堆叠、高噪声裕度串行 SPI 接口传送到每个 IC，堆栈高度不受限制。

LTC3300 中的每个平衡器都采用非隔离、边界模式同步反激式功率级来实现每个单独电池的高效充电和放电(见图 5)。

图 5：双向反激式功率级运行

六个平衡器中的每一个都需要自己的变压器。每个变压器的“初级”侧跨接要平衡的电池，而“次级”侧跨接 12 个或更多相邻电池(包括要平衡的电池)。次级侧的电池数量仅受外部元件击穿电压的限制。电池充电和放电电流由外部检测电阻器编程为高达 10+ 安培的值，并相应地调整外部开关和变压器。

通过初级和次级元件进行排序和 I PEAK /I ZERO 电流检测取决于平衡器是否启用以对电池充电或放电。通过同步操作和正确选择元件可实现高效率。各个平衡器通过 BMS 系统处理器启用，并且它们将保持启用状态，直到 BMS 命令平衡停止或检测到故障情况。

平衡器效率至关重要!

电池组面临的最大敌人之一就是热量。高环境温度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，平衡电流也必须很高才能延长运行时间或实现电池组的快速充电。平衡器效率低下会导致电池系统内部产生不必要的热量，必须通过减少在给定时间内可以运行的平衡器数量或采用昂贵的热缓解方法来解决。

如图 6 所示，LTC3300 在充电和放电方向上均实现了 90% 以上的效率，与平衡器功耗相同的 80% 效率解决方案相比，平衡电流可增加一倍以上。 此外，更高的平衡器效率可实现更有效的电荷重新分配，进而实现更有效的容量恢复和更快的充电。

图 6：LTC3300 功率级性能

局部电池承担了大部分平衡工作

通过如图 7 所示交错次级侧连接，可以实现整个堆栈的电荷传输。 以这种方式交错允许任意六个电池组的电荷传输到一组相邻电池或从一组相邻电池传输。

图 7：交错连接和电荷转移性能

请注意，相邻电池可能位于电池堆的上方或下方。这种灵活性在优化平衡算法时非常有用。任何交错系统的一个常见误解是，将电荷从非常高的电池堆顶部重新分配到底部必定是极其低效的，因为将电荷从顶部移动到底部需要进行所有转换。然而，如图 7 示例所示，大多数平衡只需将电荷重新分配到最靠近需要平衡的电池或从最靠近需要平衡的电池重新分配即可完成。

次级侧电池组由 10 个或更多个电池组成，允许一个弱电池(否则会限制整个电池组的运行时间)通过运行一个 平衡器恢复其“损失”容量的 90% 以上。因此，采用 LTC3300 交错拓扑，无需将电荷从电池组顶部一直移动到底部 - 大部分平衡工作由本地相邻电池完成。

安全第一

LTC3300 双向主动平衡器提供多种安全功能，以防止平衡过程中发生意外，并保持最高的可靠性。数据完整性检查(对所有传入和传出数据进行 CRC 检查、看门狗定时器、数据读回)可防止平衡器响应意外或错误的命令。可编程伏秒箝位可确保平衡过程中的电流检测故障不会导致失控电流情况。逐个电池过压和欠压检查以及次级侧过压检测可防止电池线束突然故障在平衡过程中对平衡电路造成损坏。

随着此类系统中的电池老化或需要更换，补偿由此产生的电池容量不匹配问题变得越来越重要，同时又不影响运行时间、充电时间或电池组的使用寿命。LTC3300 专为应对这一挑战而设计，为设计人员提供了全新水平的安全性和充电效率。