大型高壓可充電電池系統(tǒng)現(xiàn)在是電動汽車、電網負載均衡系統(tǒng)等各種應用中的常見電源。這些大型電池組由單個電池單元的串聯(lián)/并聯(lián)陣列組成，能夠存儲大量能量(數(shù)十千瓦時)。鋰聚合物或 LiFePO4 電池因其高能量密度和高峰值功率能力而成為常見的技術選擇。

與單電池應用一樣，對電池充電和監(jiān)控的嚴格控制對于確保安全運行和防止電池過早老化或損壞至關重要。然而，與單電池系統(tǒng)不同，串聯(lián)電池組還有一項額外要求：電池平衡。

所有串聯(lián)電池都需要平衡

當電池組中的每個電池都具有相同的充電狀態(tài) (SoC) 時，電池組中的電池即為“平衡”。SoC 是指單個電池在充電和放電過程中的當前剩余容量相對于其最大容量的比例。例如，一個剩余容量為 5A-hrs 的 10A-hr 電池的充電狀態(tài) (SoC) 為 50%。

所有電池單元必須保持在 SoC 范圍內，以避免損壞或使用壽命縮短。允許的 SoC 最小值和最大值因應用而異。在電池運行時間至關重要的應用中，所有電池單元的 SoC 最小值和最大值可能在 20% 和 100%(或完全充電狀態(tài))之間運行。

要求電池壽命最長的應用可能會將 SoC 范圍限制在 30%(最小值)至 70%(最大值)之間。這些是電動汽車和電網存儲系統(tǒng)中常見的 SoC 限制，這些系統(tǒng)使用非常大且昂貴的電池，更換成本極高。電池管理系統(tǒng) (BMS) 的主要作用是仔細監(jiān)控電池組中的所有電池，并確保任何電池的充電或放電均不超過應用的最小和最大 SoC 限制。

對于串聯(lián)/并聯(lián)電池陣列，通常可以安全地假設并聯(lián)的電池會相互自動平衡。也就是說，只要電池端子之間存在導電路徑，隨著時間的推移，并聯(lián)電池之間的充電狀態(tài)就會自動均衡。

也可以安全地假設，由于多種因素，串聯(lián)電池的充電狀態(tài)會隨著時間的推移而出現(xiàn)差異。由于整個電池組的溫度梯度或阻抗、自放電率或電池之間的負載差異，SoC 可能會逐漸發(fā)生變化。盡管電池組的充電和放電電流往往會使這些電池之間的差異相形見絀，但除非定期平衡電池，否則累積的不匹配會持續(xù)增長。

補償電池之間 SoC 的逐漸變化是平衡串聯(lián)電池的最基本原因。通常，被動或耗散平衡方案足以重新平衡容量接近的電池組中的 SoC。

如圖 1A 所示，被動平衡簡單且成本低廉。然而，被動平衡也非常慢，會在電池組內部產生不必要的熱量，并且通過減少所有電池的剩余容量來匹配電池組中最低 SoC 電池來實現(xiàn)平衡。

圖 1：典型的電池平衡拓撲

被動平衡也無法有效解決 SoC 錯誤，這是由于另一種常見情況：容量不匹配。所有電池都會隨著老化而損失容量，而且由于與上述原因類似，它們往往以不同的速度損失容量。

由于電池組電流平等地流入和流出所有串聯(lián)電池，因此電池組的可用容量由電池組中容量最低的電池決定。只有圖 1B 和 1C 所示的主動平衡方法才能重新分配整個電池組的電荷，并補償由于電池之間不匹配而造成的容量損失。

電池間不匹配會大大縮短運行時間

除非電池平衡，否則容量或 SoC 上的電池間不匹配可能會嚴重降低可用的電池組容量。最大化電池組容量要求在電池組充電和放電期間平衡電池。

在圖 2 所示的示例中，一個由 10 個電池串聯(lián)組成的電池組(標稱)容量為 100A-hr 的電池，從最小容量電池到最大容量電池的容量誤差為 +/- 10%，該電池組充電和放電直至達到預定的 SoC 限值。如果 SoC 水平被限制在 30% 到 70% 之間，并且沒有執(zhí)行平衡，則相對于電池的理論可用容量，完整的充電/放電周期后，可用的電池組容量會減少 25%。

圖 2：由于電池間不匹配導致的電池組容量損失示例

被動平衡理論上可以在電池組充電階段均衡每個電池的 SoC，但無法阻止電池 10 在放電期間先于其他電池達到 30% 的 SoC 水平。即使在電池組充電期間使用被動平衡，在電池組放電期間也會“損失”(無法使用)大量容量。只有主動平衡解決方案才能通過在電池組放電期間將電荷從高 SoC 電池重新分配到低 SoC 電池來實現(xiàn)“容量恢復”。

圖 3 說明了如何使用“理想”主動平衡實現(xiàn) 100% 恢復由于電池間不匹配而“丟失”的容量。在穩(wěn)定狀態(tài)使用期間，當電池組從其 70% SoC“完全”充電狀態(tài)放電時，存儲的電荷實際上必須從電池 1(容量最高的電池)中取出并轉移到電池 10(容量最低的電池)——否則電池 10 會先于其余電池達到其 30% 的最低 SoC 點，并且電池組放電必須停止以防止進一步縮短使用壽命。

圖 3：理想主動平衡帶來的容量恢復

類似地，在充電階段，必須從電池 10 中移除電荷 并重新分配到電池 1 中，否則電池 10 首先達到其 70% 的 SoC 上限，充電周期必須停止。在電池組使用壽命的某個時刻，電池老化的變化將不可避免地造成電池之間的容量不匹配。

只有主動平衡解決方案才能根據需要將電荷從高 SoC 電池重新分配到低 SoC 電池，從而實現(xiàn)“容量恢復”。要在電池組的整個使用壽命內實現(xiàn)最大電池組容量，需要主動平衡解決方案來高效地對各個電池進行充電和放電，以保持整個電池組的 SoC 平衡。

示例：高效雙向平衡提供最高容量恢復

LTC3300 高效雙向主動平衡控制 IC(見圖 4)是一款專為滿足高性能主動平衡需求而設計的新產品。每個 IC 可同時平衡多達 6 個串聯(lián)的鋰離子或磷酸鐵鋰電池。

圖 4：LTC3300 高效率雙向多電池主動平衡器

SoC 平衡是通過在選定電池和多達 12 個或更多相鄰電池的子堆棧之間重新分配電荷來實現(xiàn)的。平衡決策和平衡算法必須由控制 LTC3300 的單獨監(jiān)控設備和系統(tǒng)處理器處理。電荷從 選定電池重新分配到一組 12 個或更多相鄰電池，以便放電。

類似地，電荷從一組 12 個或更多相鄰電池轉移到 選定的電池，以便為該電池充電。所有平衡器可以同時在任一方向運行，以最大限度地縮短堆棧平衡時間。所有平衡控制命令都通過可堆疊、高噪聲裕度串行 SPI 接口傳送到每個 IC，堆棧高度不受限制。

LTC3300 中的每個平衡器都采用非隔離、邊界模式同步反激式功率級來實現(xiàn)每個單獨電池的高效充電和放電(見圖 5)。

圖 5：雙向反激式功率級運行

六個平衡器中的每一個都需要自己的變壓器。每個變壓器的“初級”側跨接要平衡的電池，而“次級”側跨接 12 個或更多相鄰電池(包括要平衡的電池)。次級側的電池數(shù)量僅受外部元件擊穿電壓的限制。電池充電和放電電流由外部檢測電阻器編程為高達 10+ 安培的值，并相應地調整外部開關和變壓器。

通過初級和次級元件進行排序和 I PEAK /I ZERO 電流檢測取決于平衡器是否啟用以對電池充電或放電。通過同步操作和正確選擇元件可實現(xiàn)高效率。各個平衡器通過 BMS 系統(tǒng)處理器啟用，并且它們將保持啟用狀態(tài)，直到 BMS 命令平衡停止或檢測到故障情況。

平衡器效率至關重要!

電池組面臨的最大敵人之一就是熱量。高環(huán)境溫度會迅速降低電池壽命和性能。不幸的是，在高電流電池系統(tǒng)中，平衡電流也必須很高才能延長運行時間或實現(xiàn)電池組的快速充電。平衡器效率低下會導致電池系統(tǒng)內部產生不必要的熱量，必須通過減少在給定時間內可以運行的平衡器數(shù)量或采用昂貴的熱緩解方法來解決。

如圖 6 所示，LTC3300 在充電和放電方向上均實現(xiàn)了 90% 以上的效率，與平衡器功耗相同的 80% 效率解決方案相比，平衡電流可增加一倍以上。 此外，更高的平衡器效率可實現(xiàn)更有效的電荷重新分配，進而實現(xiàn)更有效的容量恢復和更快的充電。

圖 6：LTC3300 功率級性能

局部電池承擔了大部分平衡工作

通過如圖 7 所示交錯次級側連接，可以實現(xiàn)整個堆棧的電荷傳輸。 以這種方式交錯允許任意六個電池組的電荷傳輸?shù)揭唤M相鄰電池或從一組相鄰電池傳輸。

圖 7：交錯連接和電荷轉移性能

請注意，相鄰電池可能位于電池堆的上方或下方。這種靈活性在優(yōu)化平衡算法時非常有用。任何交錯系統(tǒng)的一個常見誤解是，將電荷從非常高的電池堆頂部重新分配到底部必定是極其低效的，因為將電荷從頂部移動到底部需要進行所有轉換。然而，如圖 7 示例所示，大多數(shù)平衡只需將電荷重新分配到最靠近需要平衡的電池或從最靠近需要平衡的電池重新分配即可完成。

次級側電池組由 10 個或更多個電池組成，允許一個弱電池(否則會限制整個電池組的運行時間)通過運行一個 平衡器恢復其“損失”容量的 90% 以上。因此，采用 LTC3300 交錯拓撲，無需將電荷從電池組頂部一直移動到底部 - 大部分平衡工作由本地相鄰電池完成。

安全第一

LTC3300 雙向主動平衡器提供多種安全功能，以防止平衡過程中發(fā)生意外，并保持最高的可靠性。數(shù)據完整性檢查(對所有傳入和傳出數(shù)據進行 CRC 檢查、看門狗定時器、數(shù)據讀回)可防止平衡器響應意外或錯誤的命令?？删幊谭塍槲豢纱_保平衡過程中的電流檢測故障不會導致失控電流情況。逐個電池過壓和欠壓檢查以及次級側過壓檢測可防止電池線束突然故障在平衡過程中對平衡電路造成損壞。

隨著此類系統(tǒng)中的電池老化或需要更換，補償由此產生的電池容量不匹配問題變得越來越重要，同時又不影響運行時間、充電時間或電池組的使用壽命。LTC3300 專為應對這一挑戰(zhàn)而設計，為設計人員提供了全新水平的安全性和充電效率。