最大化延長(zhǎng)即使具有老化電池的汽車電池組運(yùn)行時(shí)間

作者 Samuel Nork 凌力爾特公司(現(xiàn)隸屬于Analog Devices公司)波士頓設(shè)計(jì)中心總監(jiān) Tony Armstrong 凌力爾特公司(現(xiàn)隸屬于Analog Devices公司)電源產(chǎn)品部產(chǎn)品市場(chǎng)總監(jiān)

摘要：本文介紹了延長(zhǎng)具有老化電池的汽車電池組運(yùn)行時(shí)間的相關(guān)方法，以及凌力爾特公司專門為滿足高性能有源平衡需求的新產(chǎn)品LTC3300-2。

引言

　　由串聯(lián)、高能量密度、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應(yīng)用于全電動(dòng)(EV或者BEV)、混合燃?xì)?電動(dòng)汽車(HEV和插電式混合電動(dòng)汽車或PHEV)儲(chǔ)能系統(tǒng)(ESS)中。據(jù)預(yù)測(cè)，電動(dòng)汽車市場(chǎng)對(duì)大規(guī)模串聯(lián)/并聯(lián)電池組的需求將越來(lái)越大。2016年全球PHEV銷量為77.5萬(wàn)臺(tái)，預(yù)計(jì)2017年將達(dá)到113萬(wàn)臺(tái)。然而，雖然對(duì)高容量電池的需求日益增長(zhǎng)，電池價(jià)格依然很高，是EV或PHEV中價(jià)格最高的組件，能行駛幾百公里的電池價(jià)格基本都超過(guò)10000美元。對(duì)付高成本的策略可以是通過(guò)使用低成本/翻新電池來(lái)減輕成本壓力，但隨之而來(lái)的問(wèn)題是，這類電池會(huì)有較大的容量不匹配問(wèn)題，這會(huì)減少可使用時(shí)間或縮短一次充電后的行駛距離。即使是成本更高、質(zhì)量更好的電池也會(huì)老化，而不斷地重復(fù)使用會(huì)導(dǎo)致電池失配。有兩種方式可以提高不匹配電池的電池組的容量，第一種方式是一開(kāi)始就采用比較大的電池，這種做法非常不符合成本效益;第二種方式是主動(dòng)平衡，這種新技術(shù)可以恢復(fù)電池組的電池容量，而且正日漸普及。

串聯(lián)連接的所有電池需要保持平衡

　　平衡的電池是指一個(gè)電池組中的每節(jié)電池都具備相同的電荷狀態(tài)(SoC)。SoC是指?jìng)€(gè)別電池隨著充電和放電，相對(duì)于其最大容量的剩余容量。例如，一個(gè)剩余容量為5A-hr的10A-hr電池具有50%的SoC。所有電池都需要保持在某個(gè)SoC范圍之內(nèi)，以避免受損或壽命縮短。應(yīng)用的不同可容許的SoC最小值和最大值也會(huì)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(zhǎng)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(dòng)型汽車和電網(wǎng)存儲(chǔ)系統(tǒng)中，這些數(shù)值是典型的SoC限制，電動(dòng)型汽車和電網(wǎng)存儲(chǔ)系統(tǒng)使用非常大和非常昂貴的電池，更換費(fèi)用極高。電池管理系統(tǒng)(BMS)的主要作用是，仔細(xì)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。

　　采用串聯(lián)/并聯(lián)電池陣列時(shí)，并聯(lián)連接電池會(huì)相互自動(dòng)平衡，這種假定一般來(lái)說(shuō)是對(duì)的。也就是說(shuō)，隨著時(shí)間的推移，只要電池接線端子之間存在傳導(dǎo)通路，那么在并聯(lián)連接的電池之間，電荷狀態(tài)就會(huì)自動(dòng)平衡。串聯(lián)連接電池的電荷狀態(tài)會(huì)隨著時(shí)間的變化而分化，這種假定也是對(duì)的，這么說(shuō)有幾個(gè)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、自放電速率或加載的不同，SoC會(huì)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(lái)的失配會(huì)越來(lái)越大，除非對(duì)電池進(jìn)行周期性的平衡。之所以要實(shí)現(xiàn)串聯(lián)連接電池的電荷平衡，最基本的原因就是補(bǔ)償各節(jié)電池SoC的逐步變化。通常，在一個(gè)各節(jié)電池具有嚴(yán)密匹配的容量的電池組中，運(yùn)用被動(dòng)或耗散電荷平衡方案足以使SoC重新達(dá)到平衡。

　　如圖1a所示，無(wú)源平衡簡(jiǎn)單而且成本低廉。不過(guò)，無(wú)源平衡速度非常慢，在電池組內(nèi)部產(chǎn)生熱量，而平衡是通過(guò)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(gè)常見(jiàn)的容量失配，無(wú)源平衡還缺乏有效應(yīng)對(duì)SoC誤差的能力。隨著電池組的老化，所有電池的容量都會(huì)減小，而且電池容量減小的速率往往是不同的，原因與之前所述類似。因?yàn)榱鬟M(jìn)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(如圖1b和1c中所示的方法)才能向電池組各處重新分配電荷，以及補(bǔ)償由于不同電池之間的失配而丟失的容量。

電池之間的失配能大幅度地縮短運(yùn)行時(shí)間

　　電池之間無(wú)論是容量還是SoC之間的失配都可能嚴(yán)重縮短電池組的可用容量，除非這些電池是平衡的。要最大限度地提高電池組的容量，就要確保在電池組充電和放電時(shí)電池都是平衡的。

　　在表1所示的例子中，電池組由10節(jié)電池串聯(lián)組成，每節(jié)電池的容量均為100A-hr(標(biāo)稱值)，容量最小的電池與容量最大的電池之間的容量誤差為±10%，對(duì)該電池組充電或放電，直至達(dá)到預(yù)定的SoC限制為止。如果SoC值限制在30%至70%之間，而且沒(méi)有進(jìn)行容量平衡，那么，在一個(gè)完整的充電/放電周期后，相對(duì)于這些電池的理論可用容量，可用電池組容量降低了25%。在電池組充電階段，無(wú)源平衡從理論上可以讓每節(jié)電池的SoC相同，但是在放電時(shí)，無(wú)法防止第10節(jié)電池在其他電池之前達(dá)到其30%的SoC值。即使在電池組充電時(shí)采用無(wú)源平衡，在電池組放電時(shí)也會(huì)顯著丟失容量(容量不可用)。只有有源平衡解決放案才能實(shí)現(xiàn)容量恢復(fù)，有源平衡解決方案在電池組放電時(shí)從SoC值較高的電池向SoC值較低的電池重新分配電荷。

　　表2說(shuō)明了怎樣采用理想的有源平衡，使由于電池之間的失配而丟失的容量得到100%的恢復(fù)。在穩(wěn)定狀態(tài)使用時(shí)，當(dāng)電池組從70%SoC的“滿”再充電狀態(tài)放電時(shí)，實(shí)際上必須從第1號(hào)電池(容量最高的電池)取出所存儲(chǔ)的電荷，將其轉(zhuǎn)移到第10號(hào)電池(容量最低的電池)，否則，第10號(hào)電池會(huì)在其他電池之前達(dá)到其30%的最低SoC點(diǎn)，而且電池組放電必須停止，以防止進(jìn)一步縮短壽命。類似地，在充電階段，電荷必須從第10號(hào)電池移走，并重新分配給第1號(hào)電池，否則第10號(hào)電池會(huì)首先達(dá)到其70%的SoC上限，而且充電必須停止。在電池組工作壽命期的某時(shí)間點(diǎn)上，電池老化的差異將不可避免地導(dǎo)致電池之間的容量失配。只有有源平衡解決方案才能實(shí)現(xiàn)容量恢復(fù)，這種解決方案按照需要，從SoC值高的電池向SoC值低的電池重新分配電荷。要在電池組的壽命期內(nèi)實(shí)現(xiàn)最大的電池組容量，就需要采用有源平衡解決方案，以高效率地給每節(jié)電池充電和放電，在電池組各處保持SoC平衡。

高效率雙向平衡提供最強(qiáng)的容量恢復(fù)能力

　　LTC3300-2(見(jiàn)圖2)是專門為滿足高性能有源平衡的需求而設(shè)計(jì)的新產(chǎn)品。LTC3300-2是一款高效率、雙向有源平衡控制IC，是高性能BMS的關(guān)鍵組件。每個(gè)IC都能同時(shí)平衡多達(dá)6節(jié)串聯(lián)連接的鋰離子(Li-Ion)或鐵鋰磷酸電池。

　　SoC平衡通過(guò)在一節(jié)選定的電池和一個(gè)由多達(dá)12節(jié)或更多節(jié)相鄰電池構(gòu)成的子電池組之間重新分配電荷來(lái)實(shí)現(xiàn)。平衡決策和平衡算法必須由單獨(dú)的監(jiān)視器件以及控制LTC3300-2的系統(tǒng)處理器來(lái)應(yīng)對(duì)。電荷從一個(gè)指定電池重新分配給由12節(jié)或更多相鄰電池組成的電池組，以給該電池放電。類似地，從12節(jié)或更多相鄰電池組成的電池組將電荷轉(zhuǎn)移給一個(gè)指定的電池，以給該電池充電。所有平衡器可能同時(shí)在任一方向上工作，以最大限度地縮短電池組的平衡時(shí)間。LTC3300-2具有一個(gè)兼容SPI總線的串行端口。器件可以使用數(shù)字隔離器進(jìn)行并聯(lián)連接。多個(gè)器件由A0至A4引腳確定的器件地址唯一標(biāo)識(shí)。在LTC3300-2上，CSBI、SCKI、SDI和SDO四個(gè)引腳組成串行接口。另外，SDO和SDI引腳可以連接在一起，以形成單個(gè)雙向端口。器件地址由五個(gè)地址引腳(A0至A4)進(jìn)行設(shè)置。所有串行通信相關(guān)引腳都是電壓模式，參考電壓為VREG和V-電源。

　　LTC3300-2中的每個(gè)平衡器都采用非隔離的邊界模式同步反激式電源級(jí)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)每一節(jié)電池的高效率充電和放電。6個(gè)平衡器中的每一個(gè)都需要自己的變壓器。每個(gè)變壓器的主端跨接在接受平衡的電池上，副端跨接在12節(jié)或更多相鄰電池上，包括接受平衡的電池。副端上電池的數(shù)量?jī)H受外部組件擊穿電壓的限制。在相應(yīng)的外部開(kāi)關(guān)和變壓器調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，電池的充電和放電電流可由外部檢測(cè)電阻器設(shè)定為10A以上。高效率是通過(guò)同步工作以及組件的恰當(dāng)選擇實(shí)現(xiàn)的。每個(gè)平衡器都是通過(guò)BMS的系統(tǒng)處理器啟動(dòng)的，而且平衡器將保持啟動(dòng)狀態(tài)，直至BMS發(fā)出停止的命令或指示檢測(cè)到故障。

平衡器效率事關(guān)緊要

　　電池組面對(duì)的大敵之一是熱量。高環(huán)境溫度會(huì)快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，平衡電流也必須很高，以延長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間或?qū)崿F(xiàn)電池組的快速充電。如果平衡器的效率不高，就會(huì)在電池系統(tǒng)內(nèi)部導(dǎo)致不想要的熱量，而且這個(gè)問(wèn)題必須通過(guò)減少能在給定時(shí)間運(yùn)行的平衡器的數(shù)量來(lái)解決，或通過(guò)采用昂貴的降低熱量方法來(lái)應(yīng)對(duì)。如圖3所示，LTC3300-2在充電和放電方向?qū)崿F(xiàn)了高于90%的效率，與具備相同平衡器功耗、效率為80%的解決方案相比，這允許平衡電流提高一倍多。此外，更高的平衡器效率允許更有效地重新分配電荷，這反過(guò)來(lái)又可產(chǎn)生更有效的容量恢復(fù)和更快速的充電。

結(jié)論

　　雖然諸如電動(dòng)汽車和PHEV等新型應(yīng)用的發(fā)展十分迅猛，但消費(fèi)者對(duì)于長(zhǎng)工作壽命及可靠運(yùn)作的期待卻并未改變。對(duì)于汽車，不管采用電池還是汽油作為動(dòng)力，人們都期望其在使用5年以上之后不出現(xiàn)任何可察覺(jué)的性能劣化。就EV和PHEV而言，性能等同于以電池為動(dòng)力時(shí)的可行駛距離。EV和PHEV供應(yīng)商不僅必須提供很高的電池性能，而且還要提供多年的質(zhì)保期，保證車輛具備合理的最低行駛距離以使自身?yè)碛凶銐虻母?jìng)爭(zhēng)力。隨著電動(dòng)汽車數(shù)量的不斷攀升及使用年限的增加，電池組內(nèi)部的不規(guī)則電池老化逐漸成為一個(gè)持續(xù)存在的問(wèn)題，而且是導(dǎo)致運(yùn)行時(shí)間縮短的主要根源。串接式電池的工作時(shí)間始終受限于電池組中容量最低的那節(jié)電池。只是一節(jié)弱電池就會(huì)殃及整個(gè)電池組。對(duì)于汽車供應(yīng)商來(lái)說(shuō)，由于車輛行駛距離不足而依照質(zhì)保條款要為客戶更換或整修電池是一種成本非常昂貴的主張。為了避免承受如此高昂的代價(jià)，可以采用較大和較貴的電池，或者運(yùn)用高性能的主動(dòng)平衡器(例如：LTC3300-2)，以補(bǔ)償由于電池的不均勻老化而引起電池之間的容量失配問(wèn)題。一個(gè)嚴(yán)重失配的電池組利用了LTC3300-2后，它的運(yùn)行時(shí)間與一個(gè)具相同平均電池容量的完全匹配電池組幾乎相同。

　　本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第7期第33頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。