隨著電池組的老化 高效的雙向主動平衡器可延長電池運行時間

由串聯(lián)的、高功率密度、高峰值功率鋰聚合物或鋰鐵磷酸 (LiFePO4) 電池組成的大型電池組被普遍用于全電動 (EV 或者 BEV) 和混合燃氣 / 電動汽車 (HEV 和插電式混合電動汽車或 PHEV)、儲能系統(tǒng) (ESS) 等各種應(yīng)用。據(jù)預(yù)測，電動汽車市場對大規(guī)模串聯(lián) / 并聯(lián)電池組將有很強的需求。PEV 和 EV 銷售在 2012 ~ 2020 年度的復(fù)合增長率 (CAGR) 將達到 37.4%1。對大容量電池的需求越來越強烈，而電池價格一直非常高，是 EV 或 PHEV 價格最高的組件，對于能行駛幾十公里范圍的電池價格通常就要超過 10,000 美元。高成本可以通過使用低成本 / 翻新電池來減輕成本壓力，但這類電池會有較大的容量不匹配問題，這會縮短可使用時間和在一次充電后的行駛距離。即使是成本較高、質(zhì)量較好的電池也會老化，不斷重復(fù)使用會導致電池失配。要提高具不匹配電池的電池組容量可以通過兩種方式來實現(xiàn)：開始時采用較大的電池，但這樣做非常不符合成本效益;或采用主動平衡，該新技術(shù)可恢復(fù)電池組的電池容量，正有快速上升勢頭。

所有的串聯(lián)連接電池必需保持電荷平衡

當一個電池組中的每節(jié)電池具備相同的電荷狀態(tài) (SoC) 時，這些電池就是“平衡”的。SoC 指的是個別電池隨著它的充電和放電，相對于其最大容量的剩余容量。例如：一個剩余容量為 5A-hr 的 10A-hr 電池具有 50% 的 SoC。所有的電池都必須保持在某個 SoC 范圍之內(nèi)以避免受損或壽命縮短?？扇菰S的 SoC 最小值和最大值因應(yīng)用而異。在最重視電池運行時間的應(yīng)用中，所有電池都可以在 20% 的 SoC 最小值和 100% 的最大值 (滿充電狀態(tài)) 之間工作。而就要求電池壽命最長的應(yīng)用而言，可能將SoC范圍限制在 30% 最小值和 70% 最大值之間。在電動型汽車和電網(wǎng)存儲系統(tǒng)中，這些數(shù)值是典型的SoC 限制，電動型汽車和電網(wǎng)存儲系統(tǒng)使用非常大和非常昂貴的電池，更換費用極高。電池管理系統(tǒng) (BMS) 的主要作用是，仔細監(jiān)視電池組中的所有電池，確保每一節(jié)電池的充電或放電都不超出該應(yīng)用充電狀態(tài)限制的最小值和最大值。

在采用串聯(lián) / 并聯(lián)電池陣列時，并聯(lián)連接電池會相互自動平衡，這種假定一般來說是對的。也就是說，隨著時間推移，只要電池接線端子之間存在傳導通路，那么在并聯(lián)連接的電池之間，電荷狀態(tài)就會自動平衡。串聯(lián)連接電池的電荷狀態(tài)會隨著時間變化而分化，這種假定也是對的，這么說有幾個原因。由于電池組各處溫度變化率的不同，或者電池之間阻抗不同、自放電速率或加載之不同，SoC 會逐步發(fā)生變化。盡管電池組的充電和放電電流往往使電池之間的這些差異顯得不那么重要，但是累積起來的失配會越來越大，除非對電池進行周期性的平衡。之所以要實現(xiàn)串聯(lián)連接電池的電荷平衡，最基本的原因就是補償各節(jié)電池 SoC 的逐步變化。通常，在一個各節(jié)電池具有嚴密匹配之容量的電池組中，運用被動或耗散電荷平衡方案足以使 SoC 重新達到平衡。

如圖 1A 所示，無源平衡簡單而且成本低廉。不過，無源平衡速度非常慢，在電池組內(nèi)部產(chǎn)生不想要的熱量，而平衡是通過降低所有電池的余留容量，以與電池組中 SoC 值最低的電池相匹配。由于另一個常見的問題“容量失配”，無源平衡還缺乏有效應(yīng)對 SoC 誤差的能力。隨著老化，所有電池的容量都會減小，而且電池容量減小的速率往往是不同的，原因與之前所述的類似。因為流進和流出所有串聯(lián)電池的電池組電流是相等的，所以電池組的可用容量由電池組中容量最小的電池決定。只有采用有源平衡方法 (例如圖 1B 和 1C 中所示的那些方法) 才能向電池組各處重新分配電荷，以及補償由于不同電池之間的失配而導致容量的減小。

圖 1：典型的電池平衡拓撲