平衡鉛酸電池

鉛酸電池在眾多的行業(yè)和應(yīng)用中得到了廣泛的使用。電信業(yè)采用一個(gè)由 4 節(jié)鉛酸電池組成的串聯(lián)堆棧來提供 48V 電池組。能量存儲(chǔ)解決方案 (ESS) 使用多種串聯(lián)和并聯(lián)配置的鉛酸電池來存儲(chǔ)由風(fēng)和太陽等可再生能源所產(chǎn)生的能量。在 UPS (不間斷電源) 行業(yè)中大量地采用了串接式鉛酸電池，以在失去主電源時(shí)提供后備電源。高爾夫球車及其他工業(yè)電動(dòng)車輛通常利用一個(gè)串接式鉛酸電池組來供電。

在上面提到的所有例子中，都是把兩個(gè)或更多的鉛酸電池串接起來使用。當(dāng)電池組中的某個(gè)鉛酸電池發(fā)生故障時(shí)，將需要更換串聯(lián)堆棧中的所有鉛酸電池以保持電池組的性能。這是一筆相當(dāng)可觀的費(fèi)用。

當(dāng)電池制造完成時(shí)，它們符合針對(duì)能量容量、ESR (有效串聯(lián)電阻)、漏電流和放電循環(huán)次數(shù)等諸多參數(shù)的嚴(yán)格指標(biāo)，旨在確保質(zhì)量、保證最低壽命和滿足各種標(biāo)準(zhǔn)。此外，這些規(guī)格指標(biāo)僅適用于單個(gè)電池。由于制造工藝中的限制因素，電池規(guī)格中存在變化，而且當(dāng)多個(gè)電池串聯(lián)堆疊時(shí)這些規(guī)格指標(biāo)不再適用于電池組。由于漏電流不相等，因此串聯(lián)連接的電池將隨時(shí)間而發(fā)生漂移，個(gè)別電池的容量有可能隨著時(shí)間的推移而改變。極端的工作條件和頻繁的放電循環(huán)將使此類問題進(jìn)一步加劇，從而最終導(dǎo)致電池組中的某節(jié)電池出現(xiàn)故障。此時(shí)，整個(gè)電池組被視為失效，且必需更換電池組中所有的電池。只更換那節(jié)失效電池本身并不能解決問題，因?yàn)樘鎿Q的電池其特性將與電池組中的其他電池存在很大的差異，這將造成電池組故障。這個(gè)問題對(duì)于采用任何化學(xué)組成電池制成的電池組都存在，并不僅限于鉛酸電池。

在大多數(shù)串接式電池組中，僅測量電池組頂端的電壓，并假定電池組中的電池是匹配的，因此它們均等地共享電荷。圖 1 描繪了一幅場景：電池組頂端電壓被設(shè)置為 53.2V，但是個(gè)別電池的電壓是未知的，且可能并非都是 13.6V。由于并不是電池組的所有電池都將均勻地分享電荷，所以電池組中的某些電池也許嚴(yán)重地過度充電，而與此同時(shí)其中的某個(gè)電池則或許處于充電不足的狀態(tài)。鉛酸電池過度充電和充電不足都會(huì)導(dǎo)致電池壽命的縮短。

圖 1：電池組頂端電壓并非均勻地分配在電池組中的各個(gè)電池上

如果對(duì)鉛酸電池進(jìn)行過度充電，則導(dǎo)致電解液分解成氧氣和氫氣，從而使電池中的電解液液面下降。這會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)影響。電解液中的硫酸濃度增加，這將損壞電池極板并縮短電池壽命。而且，由于電解液液面下降，一部分極板現(xiàn)在暴露于空氣之中，因而引發(fā)極板氧化并降低電池容量。密封型鉛酸 (SLA) 電池和凝膠電池對(duì)過度充電是特別敏感，因?yàn)槿魏问サ碾娊庖憾际菬o法替代的。鉛酸電池充電不足會(huì)引起極板硫酸化，在此過程中硫酸與極板發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而形成了硫酸鉛晶體。這降低了電池接受滿充電的能力，充電不足的情況因此進(jìn)一步地惡化。這將導(dǎo)致電池過早地失效。

為了延長電池組的壽命，需要對(duì)電池組中的個(gè)別電池進(jìn)行平衡。傳統(tǒng)的觀點(diǎn)是：對(duì)串聯(lián)式鉛酸電池組進(jìn)行過度充電可實(shí)現(xiàn)電池組中個(gè)別電池的平衡，從理論上講這有助于延長電池壽命。然而，此種方法是有缺陷的。

唯一能確保電池組中所有電池處于相同電壓的方法是采用一種平衡解決方案，其將使過度充電的電池釋放出多余的電荷，而向充電不足的電池輸送額外的電荷。有效的電池平衡解決方案需要一個(gè)開關(guān)網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)可用于把電荷從一個(gè)電池移動(dòng)至另一個(gè)電池以實(shí)現(xiàn)電池組的平衡。控制電路很復(fù)雜，而且分立式實(shí)施方案體積龐大且價(jià)格昂貴。LTC3305 鉛酸電池平衡器是業(yè)界首創(chuàng)、而且是僅有的一款主動(dòng)鉛酸電池平衡器，該器件可使串接式電池組中的個(gè)別電池達(dá)到彼此平衡的狀態(tài)。

圖 2a 示出了一款應(yīng)用電路，其中單個(gè) LTC3305 用于對(duì)四個(gè)串接式鉛酸電池實(shí)施平衡。電池組中的每節(jié)電池單獨(dú)且順序地與一個(gè)輔助電池相并聯(lián)，該輔助電池采用了一個(gè)由 10 個(gè)外部低 RDS(ON) NMOS 晶體管組成且受控于 LTC3305 的網(wǎng)絡(luò)。如果電壓不同，那么電流將在合適的方向上流動(dòng)，直到電池組中個(gè)別電池的電壓與輔助電池的電壓相等為止。LTC3305 隨后換向至電池組中的下一節(jié)電池。該續(xù)發(fā)事件將持續(xù) (1、2、3、4、1、2、3、4)，直至電池組中所有電池 (和輔助電池) 的電壓均被平衡至一個(gè)規(guī)定的門限之內(nèi)，如圖 2b 中的曲線所示。在任何連接期間所允許流動(dòng)之電流的最大值受限于一個(gè)外部正溫度系數(shù) (NTC) 熱敏電阻元件。

圖 2：完整的四電池平衡器

LTC3305 提供了兩種操作模式 (可通過 MODE 引腳來設(shè)置) 和四種終止門限 (可通過 TERM1 和 TERM2 引腳來編程)。另外，LTC3305 還具有過壓和欠壓比較器，這些比較器負(fù)責(zé)監(jiān)視電池電壓，并在電池電壓超過編程門限時(shí)報(bào)告故障。欠壓和過壓門限可分別采用 VL 和 VH 引腳 (連同 ISET 引腳) 來設(shè)置。

可把多個(gè) LTC3305 器件堆疊起來以平衡包含四個(gè)以上串接式鉛酸電池的電池組。在圖 3 中，采用了三個(gè) LTC3305 器件來平衡一個(gè)電池組中多達(dá) 10 節(jié)的電池。每個(gè) LTC3305 需要其自己的輔助電池以執(zhí)行平衡操作。

圖 3：可把多個(gè) LTC3305 器件堆疊起來以平衡四個(gè)以上串接式電池

采用 LTC3305 來平衡鉛酸電池還擁有其他的好處。低電壓電路可從電池組的中間節(jié)點(diǎn)來供電，并不會(huì)在電池組中產(chǎn)生不平衡，如圖 4 所示。這有助于降低解決方案成本，因?yàn)榉至⑹浇M件和 IC 的成本是隨額定電壓而調(diào)節(jié)的。輔助電池的容量對(duì)電池組容量起到了補(bǔ)充作用，從而延長了運(yùn)行時(shí)間。

圖 4：低電壓電路可從中間節(jié)點(diǎn)來供電

總之，鉛酸電池組將從實(shí)施電荷平衡當(dāng)中受益。經(jīng)過平衡的電池組可幫助將電池組的運(yùn)行時(shí)間延長至超過電池組中最低容量電池的運(yùn)行時(shí)間。而且，電池壽命也延長了，從而降低了因故障而更換電池組中電池所產(chǎn)生的費(fèi)用。由 LTC3305 提供的完整鉛酸電池平衡解決方案僅需極少的設(shè)計(jì)工作量即可實(shí)現(xiàn)電池組的平衡。