被動(dòng)均衡可讓所有電芯容量近乎具有相同容量

在汽車和運(yùn)輸市場(chǎng)，大型電池組可提供高輸出功率，但不會(huì)像汽油動(dòng)力內(nèi)燃機(jī)那樣產(chǎn)生有害排放物 (即一氧化碳和碳?xì)浠衔?。理想情況下，電池組中的每個(gè)電池對(duì)系統(tǒng)的貢獻(xiàn)相同。但是，當(dāng)談到電池時(shí)，所有電池并不都是同等的。即使電池的化學(xué)成分、物理尺寸和形狀都相同，其總?cè)萘?、?nèi)阻、自放電速率等也可能不同。此外，其老化速率可能不同，這又會(huì)在電池壽命方程式中增加一個(gè)變量。

電池組的性能受電池組中容量最低的電池單元限制；一旦最弱的電池單元耗盡，整個(gè)電池組便完全耗盡。電池組中每個(gè)電池單元的健康狀況根據(jù)其充電狀態(tài) (SoC) 測(cè)量結(jié)果 (即測(cè)量剩余電量與電池容量的比率) 來(lái)確定。SoC 利用電池測(cè)量 (如電壓、積分充電和放電電流、溫度等) 來(lái)確定電池中剩余的電量。精密單芯片和多芯片電池管理系統(tǒng) (BMS) 將電池監(jiān)控 (包括 SoC 測(cè)量) 與被動(dòng)或主動(dòng)電池均衡相結(jié)合，以提高電池組性能。這些測(cè)量產(chǎn)生如下結(jié)果：

X 與單電芯容量獨(dú)立的健康的電池電量狀態(tài)

X 電池單元間的充電狀態(tài)不匹配程度最小化

X 電池單元老化影響最小化 (老化導(dǎo)致容量損失)

對(duì)電池組而言，被動(dòng)和主動(dòng)電芯均衡有不同的優(yōu)勢(shì)，ADI 公司的電池管理產(chǎn)品組合為這兩種方法均提供了解決方案。我們先來(lái)看看被動(dòng)平衡均衡。

被動(dòng)均衡可讓所有電芯近乎具有相同容量

最初，電池組的電芯可能匹配得相當(dāng)好。但隨著時(shí)間推移，電芯匹配度會(huì)因充電/放電循環(huán)、高溫和一般老化而降低。弱電芯的充放電速度將快于強(qiáng) (或較高容量) 電池單元，因此前者成為系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的限制因素。被動(dòng)均衡會(huì)讓電池組每個(gè)電芯的容量看起來(lái)與最弱電芯相同。它在充電周期中使用相對(duì)較低的電流，從高 SoC 電池消耗少量能量，使得所有電池單元充電至其最大 SoC。這是通過(guò)與每個(gè)電芯并聯(lián)的開關(guān)和泄放電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

圖 1.帶泄放電阻的被動(dòng)電池均衡器

高 SoC 電池放電 (功率消耗在電阻中)，因此充電可以繼續(xù)，直至所有電芯都充滿電。

被動(dòng)均衡使得所有電池具有相同的 SoC，但它并未改善電池供電系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間。它提供了一種成本相當(dāng)?shù)偷碾姵鼐夥椒?，但由于放電電阻的存在，該過(guò)程中會(huì)浪費(fèi)能量。被動(dòng)均衡還能校正不同電池單元間的自放電電流的長(zhǎng)期不匹配。

圖 2.采用外部被動(dòng)均衡的 LTC6804 應(yīng)用電路

采用被動(dòng)均衡的多節(jié)電池監(jiān)控器

ADI 公司推出了一系列含有被動(dòng)電池均衡能力的多節(jié)電池監(jiān)控器。這些器件采用可堆疊架構(gòu)，可以監(jiān)控?cái)?shù)百個(gè)電芯。每個(gè)器件可測(cè)量多達(dá) 12 個(gè)串聯(lián)連接的電芯，總測(cè)量誤差小于 1.2 mV。每電池單元 0 V 至 5 V 的測(cè)量范圍使其適用于大部分電池化學(xué)成分。LTC6804 如圖 2 所示。

LTC6804 具有內(nèi)部被動(dòng)均衡功能 (圖 3)；如果需要，它還可以配置外部 MOSFET(圖 4)。它還具有可選的可編程被動(dòng)均衡放電計(jì)時(shí)器，可為用戶提供更多的系統(tǒng)配置靈活性。

圖 3.帶內(nèi)部放電開關(guān)的被動(dòng)均衡

圖 4.帶外部放電開關(guān)的被動(dòng)均衡

對(duì)于希望系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間最大化和充電效率更高的客戶，主動(dòng)均衡是最佳選擇。在充電和放電期間，主動(dòng)電池均衡不會(huì)浪費(fèi)能量，而是將能量重新分配給電池組中的其他電池單元。放電時(shí)，較強(qiáng)的電池單元會(huì)給較弱的電池單元補(bǔ)充能量，從而延長(zhǎng)電池單元達(dá)到其完全耗盡狀態(tài)的時(shí)間。有關(guān)主動(dòng)均衡的更多信息，請(qǐng)參閱技術(shù)文章“主動(dòng)電池單元均衡”。

作者簡(jiǎn)介

Sam Nork 自 1988 年起任職于 ADI 公司的電源產(chǎn)品業(yè)務(wù)部門 (前身為凌力爾特公司)。作為總經(jīng)理兼設(shè)計(jì)總監(jiān)，Sam 領(lǐng)導(dǎo)著一支由 120 多名工程師組成的開發(fā)團(tuán)隊(duì)，主要負(fù)責(zé)電池充電器、ASSP、PMIC 和消費(fèi)電子電源產(chǎn)品工作。Sam 親自設(shè)計(jì)并發(fā)布了眾多便攜式電源管理集成電路，而且是 11 項(xiàng)已授權(quán)專利的發(fā)明人/共同發(fā)明人。加入凌力爾特之前，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。

Kevin Scott 是 ADI 公司電源產(chǎn)品部的產(chǎn)品營(yíng)銷經(jīng)理，負(fù)責(zé)升壓、降壓-升壓和隔離式轉(zhuǎn)換器、驅(qū)動(dòng)器及線性穩(wěn)壓器。他曾擔(dān)任高級(jí)戰(zhàn)略營(yíng)銷工程師，負(fù)責(zé)制定技術(shù)培訓(xùn)內(nèi)容，培訓(xùn)銷售工程師，并撰寫了大量關(guān)于公司眾多產(chǎn)品技術(shù)優(yōu)勢(shì)的網(wǎng)站文章。他在半導(dǎo)體行業(yè)已有 26 年從業(yè)經(jīng)驗(yàn)，擔(dān)任過(guò)應(yīng)用、業(yè)務(wù)管理和營(yíng)銷數(shù)個(gè)職務(wù)。

Kevin 于 1987 年畢業(yè)于斯坦福大學(xué)，獲得電氣工程學(xué)士學(xué)位，并在短暫的 NFL (美國(guó)橄欖球聯(lián)盟) 生涯后開始了他的工程技術(shù)職業(yè)生涯。