被動均衡可讓所有電芯容量近乎具有相同容量

在汽車和運輸市場，大型電池組可提供高輸出功率，但不會像汽油動力內(nèi)燃機那樣產(chǎn)生有害排放物 (即一氧化碳和碳氫化合物)。理想情況下，電池組中的每個電池對系統(tǒng)的貢獻相同。但是，當談到電池時，所有電池并不都是同等的。即使電池的化學成分、物理尺寸和形狀都相同，其總?cè)萘?、?nèi)阻、自放電速率等也可能不同。此外，其老化速率可能不同，這又會在電池壽命方程式中增加一個變量。

電池組的性能受電池組中容量最低的電池單元限制；一旦最弱的電池單元耗盡，整個電池組便完全耗盡。電池組中每個電池單元的健康狀況根據(jù)其充電狀態(tài) (SoC) 測量結(jié)果 (即測量剩余電量與電池容量的比率) 來確定。SoC 利用電池測量 (如電壓、積分充電和放電電流、溫度等) 來確定電池中剩余的電量。精密單芯片和多芯片電池管理系統(tǒng) (BMS) 將電池監(jiān)控 (包括 SoC 測量) 與被動或主動電池均衡相結(jié)合，以提高電池組性能。這些測量產(chǎn)生如下結(jié)果：

X 與單電芯容量獨立的健康的電池電量狀態(tài)

X 電池單元間的充電狀態(tài)不匹配程度最小化

X 電池單元老化影響最小化 (老化導致容量損失)

對電池組而言，被動和主動電芯均衡有不同的優(yōu)勢，ADI 公司的電池管理產(chǎn)品組合為這兩種方法均提供了解決方案。我們先來看看被動平衡均衡。

被動均衡可讓所有電芯近乎具有相同容量

最初，電池組的電芯可能匹配得相當好。但隨著時間推移，電芯匹配度會因充電/放電循環(huán)、高溫和一般老化而降低。弱電芯的充放電速度將快于強 (或較高容量) 電池單元，因此前者成為系統(tǒng)運行時間的限制因素。被動均衡會讓電池組每個電芯的容量看起來與最弱電芯相同。它在充電周期中使用相對較低的電流，從高 SoC 電池消耗少量能量，使得所有電池單元充電至其最大 SoC。這是通過與每個電芯并聯(lián)的開關(guān)和泄放電阻來實現(xiàn)的。

圖 1.帶泄放電阻的被動電池均衡器

高 SoC 電池放電 (功率消耗在電阻中)，因此充電可以繼續(xù)，直至所有電芯都充滿電。

被動均衡使得所有電池具有相同的 SoC，但它并未改善電池供電系統(tǒng)的運行時間。它提供了一種成本相當?shù)偷碾姵鼐夥椒?，但由于放電電阻的存在，該過程中會浪費能量。被動均衡還能校正不同電池單元間的自放電電流的長期不匹配。

圖 2.采用外部被動均衡的 LTC6804 應(yīng)用電路

采用被動均衡的多節(jié)電池監(jiān)控器

ADI 公司推出了一系列含有被動電池均衡能力的多節(jié)電池監(jiān)控器。這些器件采用可堆疊架構(gòu)，可以監(jiān)控數(shù)百個電芯。每個器件可測量多達 12 個串聯(lián)連接的電芯，總測量誤差小于 1.2 mV。每電池單元 0 V 至 5 V 的測量范圍使其適用于大部分電池化學成分。LTC6804 如圖 2 所示。

LTC6804 具有內(nèi)部被動均衡功能 (圖 3)；如果需要，它還可以配置外部 MOSFET(圖 4)。它還具有可選的可編程被動均衡放電計時器，可為用戶提供更多的系統(tǒng)配置靈活性。

圖 3.帶內(nèi)部放電開關(guān)的被動均衡

圖 4.帶外部放電開關(guān)的被動均衡

對于希望系統(tǒng)運行時間最大化和充電效率更高的客戶，主動均衡是最佳選擇。在充電和放電期間，主動電池均衡不會浪費能量，而是將能量重新分配給電池組中的其他電池單元。放電時，較強的電池單元會給較弱的電池單元補充能量，從而延長電池單元達到其完全耗盡狀態(tài)的時間。有關(guān)主動均衡的更多信息，請參閱技術(shù)文章“主動電池單元均衡”。

作者簡介

Sam Nork 自 1988 年起任職于 ADI 公司的電源產(chǎn)品業(yè)務(wù)部門 (前身為凌力爾特公司)。作為總經(jīng)理兼設(shè)計總監(jiān)，Sam 領(lǐng)導著一支由 120 多名工程師組成的開發(fā)團隊，主要負責電池充電器、ASSP、PMIC 和消費電子電源產(chǎn)品工作。Sam 親自設(shè)計并發(fā)布了眾多便攜式電源管理集成電路，而且是 11 項已授權(quán)專利的發(fā)明人/共同發(fā)明人。加入凌力爾特之前，Sam 曾在馬薩諸塞州威明頓擔任 ADI 公司的產(chǎn)品/測試開發(fā)工程師。他擁有達特茅斯學院文學學士和工學學士學位。

Kevin Scott 是 ADI 公司電源產(chǎn)品部的產(chǎn)品營銷經(jīng)理，負責升壓、降壓-升壓和隔離式轉(zhuǎn)換器、驅(qū)動器及線性穩(wěn)壓器。他曾擔任高級戰(zhàn)略營銷工程師，負責制定技術(shù)培訓內(nèi)容，培訓銷售工程師，并撰寫了大量關(guān)于公司眾多產(chǎn)品技術(shù)優(yōu)勢的網(wǎng)站文章。他在半導體行業(yè)已有 26 年從業(yè)經(jīng)驗，擔任過應(yīng)用、業(yè)務(wù)管理和營銷數(shù)個職務(wù)。

Kevin 于 1987 年畢業(yè)于斯坦福大學，獲得電氣工程學士學位，并在短暫的 NFL (美國橄欖球聯(lián)盟) 生涯后開始了他的工程技術(shù)職業(yè)生涯。