電動(dòng)汽車(chē)性能的中的被動(dòng)平衡技術(shù)介紹

由于經(jīng)濟和環(huán)境因素嚴重傾向于電動(dòng)汽車(chē)（EV），當今電池技術(shù)的局限性仍然是其廣泛采用的最大速度。遺憾的是，這些能量存儲系統中使用的化學(xué)過(guò)程不具有硅芯片所享有的相同的可擴展性和微米級制造公差。例如，即使是最好的鋰離子（Li-ion）電池中發(fā)生的制造變化也會(huì )導致電池電壓和容量的差異，從而極大地影響多電池堆的整體性能和使用壽命。我們很快就會(huì )看到，無(wú)源電池平衡技術(shù)可以為產(chǎn)品的運行時(shí)間或運行時(shí)間增加5％到10％，并為其使用壽命增加更多的充電周期。在許多情況下，平衡電子設備可以添加到電池現有的管理電子設備中，每個(gè)電池只需0.07美元。

細胞差異

像雪花一樣，沒(méi)有兩個(gè)鋰離子電池完全相同。每個(gè)制造商都使用自己的陽(yáng)極，陰極和電解質(zhì)材料“混合物”。因此，電池電壓變化很大（通常為2.7 V - 4.25 V），許多EV中使用的磷酸鋰和3.6 V范圍內的HEV。但即使具有相同化學(xué)性質(zhì)的電池在容量，開(kāi)路電壓，充電容量，自放電率，阻抗和影響其充電狀態(tài)（SOC）的熱特性方面也表現出一定程度的變化。

當以串聯(lián)配置組裝時(shí)，這些差異僅允許堆棧充電，直到最弱的單元充滿(mǎn)，即使其鄰居愿意接受更深的充電。由于大多數基于鋰的化學(xué)物質(zhì)具有高反應性，將任何額外的電流推入電池組可以將充滿(mǎn)電的電池驅動(dòng)到過(guò)壓狀態(tài)，從而導致發(fā)熱損壞，并在某些情況下引發(fā)火災。雖然必須將電池的電荷控制在10-50 mV以?xún)�，以避免將其設置在通向致命熱失控的路徑上，但2-5 mV被認為是防止損壞所需的最小分辨率，從而降低其容量和使用壽命。最弱的電池還決定了電池組在耗盡之前可以提供多少電流，其中稱(chēng)為枝晶的晶體從電池的電解質(zhì)中沉淀出來(lái)，導致其結構內出現微短路。

更糟糕的是，隨著(zhù)電池老化，電池之間的差異變寬，導致容量和使用壽命損失更大（圖1）。

圖1：隨著(zhù)電池老化，各個(gè)細胞的平均容量下降，而細胞之間的容量變化增加（英飛凌提供）。

有源與無(wú)源電池平衡

為了解鎖更多電池的潛在容量，有必要添加均衡電池間電荷的電路。今天的大多數設計基于某種“被動(dòng)平衡”技術(shù)，該技術(shù)使用電阻器卸載或“頂部平衡”過(guò)充電電池，使其輸出電壓低于充電器的電壓調節點(diǎn)，允許堆棧的其余部分繼續充電（圖2）。由于它從電池中消耗能量，因此通常僅在電池充電時(shí)才進(jìn)行被動(dòng)平衡。為防止損壞，必須經(jīng)常對單個(gè)電池條件進(jìn)行采樣。實(shí)際采樣率取決于電池的化學(xué)成分和最大充電速率，但筆記本電池通常在4-10 sps監測，而EV/HEV電池的速率在20-100 sps之間變化。

圖2：可以使用如此處所示的分立元件和主機MCU，或使用多個(gè)制造商提供的更集成的解決方案之一來(lái)實(shí)現無(wú)源單元平衡。 （由英飛凌提供。）

雖然能量損失和熱量問(wèn)題限制了被動(dòng)平衡技術(shù)的有效性，但它們易于實(shí)施，并且對于大多數應用來(lái)說(shuō)非常經(jīng)濟有效。然而，人們越來(lái)越關(guān)注所謂的“主動(dòng)平衡”技術(shù)，該技術(shù)利用感應電荷穿梭將電荷從具有較高SOC的電池轉移到較弱的電池。除了釋放更多本來(lái)無(wú)法使用的能量之外，主動(dòng)平衡還可以進(jìn)一步減少在正常工作條件下對較弱電池造成的損害，使電池組能夠提供高達20％的充電周期。由于有源平衡電路的較高成本和復雜性目前限制了其受歡迎程度，因此本文側重于被動(dòng)平衡。主動(dòng)平衡技術(shù)將在后續文章中介紹。

設計問(wèn)題

控制哪種被動(dòng)平衡解決方案最適合您的應用的兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是電池電池堆的容量以及電池之間的變化量。諸如電動(dòng)自行車(chē)，無(wú)繩電動(dòng)工具和其他消費者應用的應用使用較便宜的電池，其可具有10％或更高的差異，但是它們的總容量足夠低，可以使用50-200mA的放電電流來(lái)平衡。這使他們能夠使用高度集成的電池管理IC，例如Texas Instruments的bq77PL900，其中包括用于驅動(dòng)系統耗散電阻的功率晶體管（通常為FET）。

相比之下，制造商生產(chǎn)用于混合動(dòng)力汽車(chē)和電動(dòng)汽車(chē)的汽車(chē)級電池，最大電池SOC變化為3％至5％。平衡這些高功率堆棧中的一些通常需要1-2A的泄放電流，并且在一些情況下需要高達10A。這需要使用外部開(kāi)關(guān)晶體管，這增加了電池管理系統的成本和復雜性。

用于控制被動(dòng)平衡的測量技術(shù)的復雜性和有效性也各不相同。最簡(jiǎn)單的是，TI的bq77PL900（圖3a）等產(chǎn)品可以作為獨立的電池保護系統，將每個(gè)電池的電壓與預編程的閾值進(jìn)行比較，以確定是否需要電池平衡。如圖3b所示，當堆棧中的任何單元達到上限閾值（VOV）時(shí)，停止充電并啟用內部旁路，直到其電壓降至下限。重新啟用充電并重復該循環(huán)，直到最低電壓電池達到恢復極限（VOV-ΔVoVH）并停止充電。盡管對許多應用有用，但該技術(shù)具有固有的誤差，因為它沒(méi)有考慮當充電電流通過(guò)時(shí)由電池阻抗引起的電壓偏差。由于控制器的容－源－電－子－網(wǎng)－為你提供技術(shù)支持