最大化延長即使具有老化電池的汽車電池組運行時間

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)品市場總監(jiān)

摘要：本文介紹了延長具有老化電池的汽車電池組運行時間的相關(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(EV或者BEV)、混合燃?xì)?電動汽車(HEV和插電式混合電動汽車或PHEV)儲能系統(tǒng)(ESS)中。據(jù)預(yù)測，電動汽車市場對大規(guī)模串聯(lián)/并聯(lián)電池組的需求將越來越大。2016年全球PHEV銷量為77.5萬臺，預(yù)計2017年將達(dá)到113萬臺。然而，雖然對高容量電池的需求日益增長，電池價格依然很高，是EV或PHEV中價格最高的組件，能行駛幾百公里的電池價格基本都超過10000美元。對付高成本的策略可以是通過使用低成本/翻新電池來減輕成本壓力，但隨之而來的問題是，這類電池會有較大的容量不匹配問題，這會減少可使用時間或縮短一次充電后的行駛距離。即使是成本更高、質(zhì)量更好的電池也會老化，而不斷地重復(fù)使用會導(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是指個別電池隨著充電和放電，相對于其最大容量的剩余容量。例如，一個剩余容量為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不同。在最重視電池運行時間的應(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。在電動型汽車和電網(wǎng)存儲系統(tǒng)中，這些數(shù)值是典型的SoC限制，電動型汽車和電網(wǎng)存儲系統(tǒng)使用非常大和非常昂貴的電池，更換費用極高。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，并聯(lián)連接電池會相互自動平衡，這種假定一般來說是對的。也就是說，隨著時間的推移，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)就會自動平衡。串聯(lián)連接電池的電荷狀態(tài)會隨著時間的變化而分化，這種假定也是對的，這么說有幾個原因。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越來越大，除非對電池進(jìn)行周期性的平衡。之所以要實現(xiàn)串聯(lián)連接電池的電荷平衡，最基本的原因就是補償各節(jié)電池SoC的逐步變化。通常，在一個各節(jié)電池具有嚴(yán)密匹配的容量的電池組中，運用被動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。由于另一個常見的容量失配，無源平衡還缺乏有效應(yīng)對SoC誤差的能力。隨著電池組的老化，所有電池的容量都會減小，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。因為流進(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行時間

　　電池之間無論是容量還是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，而且沒有進(jìn)行容量平衡，那么，在一個完整的充電/放電周期后，相對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，無法防止第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采用無源平衡，在電池組放電時也會顯著丟失容量(容量不可用)。只有有源平衡解決放案才能實現(xiàn)容量恢復(fù)，有源平衡解決方案在電池組放電時從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，當(dāng)電池組從70%SoC的“滿”再充電狀態(tài)放電時，實際上必須從第1號電池(容量最高的電池)取出所存儲的電荷，將其轉(zhuǎn)移到第10號電池(容量最低的電池)，否則，第10號電池會在其他電池之前達(dá)到其30%的最低SoC點，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號電池移走，并重新分配給第1號電池，否則第10號電池會首先達(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間點上，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的容量恢復(fù)能力

　　LTC3300-2(見圖2)是專門為滿足高性能有源平衡的需求而設(shè)計的新產(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IC都能同時平衡多達(dá)6節(jié)串聯(lián)連接的鋰離子(Li-Ion)或鐵鋰磷酸電池。

　　SoC平衡通過在一節(jié)選定的電池和一個由多達(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實現(xiàn)。平衡決策和平衡算法必須由單獨的監(jiān)視器件以及控制LTC3300-2的系統(tǒng)處理器來應(yīng)對。電荷從一個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)移給一個指定的電池，以給該電池充電。所有平衡器可能同時在任一方向上工作，以最大限度地縮短電池組的平衡時間。LTC3300-2具有一個兼容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。多個器件由A0至A4引腳確定的器件地址唯一標(biāo)識。在LTC3300-2上，CSBI、SCKI、SDI和SDO四個引腳組成串行接口。另外，SDO和SDI引腳可以連接在一起，以形成單個雙向端口。器件地址由五個地址引腳(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中的每個平衡器都采用非隔離的邊界模式同步反激式電源級，以實現(xiàn)對每一節(jié)電池的高效率充電和放電。6個平衡器中的每一個都需要自己的變壓器。每個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)量僅受外部組件擊穿電壓的限制。在相應(yīng)的外部開關(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電阻器設(shè)定為10A以上。高效率是通過同步工作以及組件的恰當(dāng)選擇實現(xiàn)的。每個平衡器都是通過BMS的系統(tǒng)處理器啟動的，而且平衡器將保持啟動狀態(tài)，直至BMS發(fā)出停止的命令或指示檢測到故障。

平衡器效率事關(guān)緊要

　　電池組面對的大敵之一是熱量。高環(huán)境溫度會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，以延長運行時間或?qū)崿F(xiàn)電池組的快速充電。如果平衡器的效率不高，就會在電池系統(tǒng)內(nèi)部導(dǎo)致不想要的熱量，而且這個問題必須通過減少能在給定時間運行的平衡器的數(shù)量來解決，或通過采用昂貴的降低熱量方法來應(yīng)對。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，這反過來又可產(chǎn)生更有效的容量恢復(fù)和更快速的充電。

結(jié)論

　　雖然諸如電動汽車和PHEV等新型應(yīng)用的發(fā)展十分迅猛，但消費者對于長工作壽命及可靠運作的期待卻并未改變。對于汽車，不管采用電池還是汽油作為動力，人們都期望其在使用5年以上之后不出現(xiàn)任何可察覺的性能劣化。就EV和PHEV而言，性能等同于以電池為動力時的可行駛距離。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擁有足夠的競爭力。隨著電動汽車數(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持續(xù)存在的問題，而且是導(dǎo)致運行時間縮短的主要根源。串接式電池的工作時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)弱電池就會殃及整個電池組。對于汽車供應(yīng)商來說，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，可以采用較大和較貴的電池，或者運用高性能的主動平衡器(例如：LTC3300-2)，以補償由于電池的不均勻老化而引起電池之間的容量失配問題。一個嚴(yán)重失配的電池組利用了LTC3300-2后，它的運行時間與一個具相同平均電池容量的完全匹配電池組幾乎相同。

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