用于電動(dòng)汽車(chē)與大容量存儲(chǔ)的有源電池平衡技術(shù)

均衡電池單個(gè)電池充電/放電特性的技術(shù)對(duì)于延長(zhǎng)電動(dòng)汽車(chē)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(wú)源電池平衡技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)今混合動(dòng)力電動(dòng)和插電式混合動(dòng)力車(chē)（PHEV）使用的大多數(shù)5千瓦時(shí)-20千瓦時(shí)電池中保護(hù)和管理系統(tǒng)的一部分。這些“智能”無(wú)源平衡系統(tǒng)使用阻抗跟蹤，庫(kù)侖計(jì)數(shù)和其他充電狀態(tài)監(jiān)測(cè)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(wú)源平衡系統(tǒng)也可以通過(guò)反復(fù)排出較弱電池中的能量來(lái)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(shí)的電池被動(dòng)平衡，那么下一代純電動(dòng)汽車(chē)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(zhēng)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(dòng)汽車(chē)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(dòng)汽車(chē)和其他大容量存儲(chǔ)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(wú)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(guò)使用泄放電阻器卸載過(guò)充電電池來(lái)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(duì)單個(gè)電池條件進(jìn)行采樣，筆記本電池通常以每秒4-10個(gè)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?a target="_blank">IC（2b）來(lái)實(shí)現(xiàn)被動(dòng)單元平衡。 （由英飛凌和ADI公司提供）。

雖然無(wú)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(shí)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(dòng)平衡通常僅在電池充電時(shí)才進(jìn)行，因此無(wú)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(dòng)平衡技術(shù)，它將更強(qiáng)的細(xì)胞過(guò)剩電荷轉(zhuǎn)移到需要它的一個(gè)或多個(gè)細(xì)胞。大多數(shù)有源系統(tǒng)使用的開(kāi)關(guān)MOSFET類(lèi)似于無(wú)源機(jī)制中使用的開(kāi)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(jí)側(cè)，其主要位于整個(gè)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(cè)量電荷泵變壓器初級(jí)側(cè)的電池電壓。 （由英飛凌提供）。

有源頂部平衡（圖4）是通過(guò)將具有較高電壓的電池暫時(shí)連接到平衡電路的次級(jí)繞組來(lái)實(shí)現(xiàn)的，從而在初級(jí)繞組上產(chǎn)生感應(yīng)電壓。然后打開(kāi)“施主”電池的開(kāi)關(guān)，關(guān)閉“接收器”電池上的開(kāi)關(guān)，使初級(jí)電能被驅(qū)回其次級(jí)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(kāi)關(guān)電路（4a）通過(guò)激勵(lì)變壓器的次級(jí)繞組之一以在其初級(jí)繞組（4b）中感應(yīng)電流來(lái)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(shí)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(jí)繞組通過(guò)電池組電壓的脈沖通電，所有電池上的次級(jí)開(kāi)關(guān)打開(kāi)。一旦初級(jí)線圈通電，關(guān)閉要充電的電池的次級(jí)線圈的連接，允許傳輸儲(chǔ)存的能量（圖5）。底部平衡解鎖了原本會(huì)被“擱淺”在電池內(nèi)部的能量。

圖5：使用有源磁開(kāi)關(guān)電路進(jìn)行底部平衡（5a）通過(guò)激勵(lì)變壓器的初級(jí)側(cè)以在其次級(jí)繞組之一中感應(yīng)出電流來(lái)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(kāi)發(fā)了一種替代架構(gòu)，稱(chēng)為PowerPump。 PowerPump使用簡(jiǎn)單的電荷耦合開(kāi)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(duì)多架構(gòu)（圖6）。該電路工作頻率約為200 kHz，可通過(guò)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(guò)將開(kāi)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(duì)較低，因此PowerPump電路通過(guò)將多余電荷通過(guò)“斗式旅”方式傳遞到其他所需的位置來(lái)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(jiǎn)單的電荷穿梭方案在相鄰電池之間傳輸能量。

例如，TI bq78PL114主網(wǎng)關(guān)電池控制器是專(zhuān)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(chē)級(jí)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(chē)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(chē)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(lái)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(lèi)似測(cè)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(cè)量來(lái)確定，或者如果需要更高的精度，則與庫(kù)侖計(jì)數(shù)或測(cè)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(cè)量都需要一個(gè)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(méi)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(zhuān)為鋰基汽車(chē)存儲(chǔ)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的12通道高壓電池監(jiān)控器（圖8a）組合了一個(gè)12位SAR型A/D，一個(gè)由簡(jiǎn)單狀態(tài)機(jī)控制的高壓開(kāi)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(lài)主處理器進(jìn)行故障保護(hù)，而是用于在任何單元超過(guò)用戶(hù)可選閾值超過(guò)設(shè)定程序時(shí)提供瞬時(shí)過(guò)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(wú)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(cè)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(gè)鋰離子電池。

有源平衡電路也可以使用可尋址驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)，該驅(qū)動(dòng)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(kāi)關(guān)。具有快速開(kāi)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(kāi)關(guān)損耗如果主動(dòng)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(huì)提供更高度集成的產(chǎn)品，以支持主動(dòng)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(chē)級(jí)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(gè)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(gè)電池的高壓電池組堆疊上提供可靠的通信，無(wú)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(chē)級(jí)電池監(jiān)控/保護(hù)器件。 （由Texas Instruments提供）。

bq76PL536-Q1具有第二個(gè)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(cè)過(guò)壓，欠壓和過(guò)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(cè)延遲時(shí)間均可通過(guò)I2C主機(jī)接口進(jìn)行編程，并存儲(chǔ)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(wú)源電池平衡系統(tǒng)之間的成本差異。但由于某些無(wú)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(shí)間和電池壽命是否會(huì)超過(guò)它為EV的BMS帶來(lái)的額外成本和復(fù)雜性。至少部分問(wèn)題的答案在于制造商能夠在汽車(chē)電池的質(zhì)量和均勻性方面提供多少改進(jìn)。如果通過(guò)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(dòng)車(chē)電池之外的所有電池都可以通過(guò)簡(jiǎn)單的方式實(shí)現(xiàn)最小的損耗。 ，低成本的被動(dòng)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(chē)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(dòng)平衡可以解鎖價(jià)值約500美元的附加值，盡管它超過(guò)了車(chē)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(dòng)平衡的額外成本相對(duì)較低，并且還使車(chē)輛有明顯的提升范圍（5％-10％）。

另一方面，主動(dòng)平衡技術(shù)的支持者表示，一旦高度集成的解決方案到來(lái)，它們的實(shí)施成本將低于當(dāng)今的無(wú)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(dòng)汽車(chē)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(huì)成為EV/HEV電池管理系統(tǒng)事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)還為時(shí)尚早，但可以肯定的是，它將成為高性能車(chē)輛和其他運(yùn)行時(shí)，能源應(yīng)用的首選技術(shù)。效率和使用壽命至關(guān)重要。