用于串聯(lián)連接電池的有源平衡解決方案

現(xiàn)在，從電動(dòng)型汽車到電網(wǎng)負(fù)載均衡系統(tǒng)的各種應(yīng)用中，大型、高壓可再充電電池系統(tǒng)是常見的電源。這些大型電池組由眾多單節(jié)電池串聯(lián) / 并聯(lián)陣列組成，能存儲(chǔ)大量能量 (數(shù)十千瓦小時(shí))。鋰聚合物或磷酸鐵鋰 (LiFePO4) 電池是常見的技術(shù)選擇，因?yàn)檫@類電池能量密度高，能提供很高的峰值功率。在單節(jié)電池應(yīng)用中，仔細(xì)控制電池充電并監(jiān)視電池是確保安全工作、防止電池過早老化或損壞的關(guān)鍵。不過，與單節(jié)電池系統(tǒng)不同的是，串聯(lián)連接的電池組提出了一項(xiàng)額外的要求，這就是“電池平衡”。

所有的串聯(lián)連接電池必需保持電荷平衡

當(dāng)一個(gè)電池組中的每節(jié)電池具備相同的電荷狀態(tài) (SoC) 時(shí)，這些電池就是“平衡”的。SoC 指的是個(gè)別電池隨著它的充電和放電，目前相對(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。所有的電池都必須保持在某個(gè) SoC 范圍之內(nèi)以避免受損或壽命縮短。可容許的 SoC 最小值和最大值因應(yīng)用而異。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。

在采用串聯(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，這種假定一般來說是對(duì)的。也就是說，隨著時(shí)間推移，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)間變化而分化，這種假定也是對(duì)的，這么說有幾個(gè)原因。由于電池組各處溫度變化率的不同，或者不同電池之間阻抗、自放電速率或加載之不同，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，但是累積起來的失配會(huì)越來越大，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)密匹配之容量的電池組中，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(gè)常見的問題“容量失配”，無源平衡還缺乏有效應(yīng)對(duì) SoC 誤差的能力。隨著老化，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，原因與之前所述的類似。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 (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(bǔ)償由于不同電池之間的失配而導(dǎo)致容量的減小。