用于电动汽车与大容量存储的有源电池平衡技术

均衡电池单个电池充电/放电特性的技术对于延长电动汽车和许多便携式电子产品的使用寿命至关重要。事实上，本系列第一部分讨论的无源电池平衡技术已经成为当今混合动力电动和插电式混合动力车（PHEV）使用的大多数5千瓦时-20千瓦时电池中保护和管理系统的一部分。这些“智能”无源平衡系统使用阻抗跟踪，库仑计数和其他充电状态监测技术（图1）。

图1 ：电池管理在现代EV推进系统中发挥着关键作用。 （由Maxim Integrated Circuits提供）。

由于即使是这些先进的无源平衡系统也可以通过反复排出较弱电池中的能量来使容量更高的电池完全充电，但它们只能解锁电池的一部分“滞留“能力。因此，如果25-100千瓦时的电池被动平衡，那么下一代纯电动汽车是否能够容忍损失范围和丢失充电/放电循环存在激烈的争论。

至少在理论上更好的选择是有源电池平衡系统，它从较强的电池重新分配电荷，以支撑电池组内较弱的电池。但是，虽然电子制造商正在推广其早期有源电池平衡技术的优点，但许多电池和电动汽车制造商都担心有源系统的额外成本和复杂性是否值得他们提供的扩展范围和使用寿命。

在本文中，我们将详细介绍有源电池平衡技术，以及它们可能在下一代电动汽车和其他大容量存储应用中发挥作用。

为什么有源电池平衡？

如第一部分所述，无源（“顶部”）平衡可防止容量较低的电池限制电容较大的电池可接受的电荷。这是通过使用泄放电阻器卸载过充电电池来完成的（图2），因此它们的输出电压低于充电器的电压调节点，因此堆栈的其余部分可以继续充电。为了防止损坏，必须经常对单个电池条件进行采样，笔记本电池通常以每秒4-10个样本（sps）和20-100 sps的EV/HEV电池进行监控。

图2：可以使用通用组件（图2a）或专用IC（2b）来实现被动单元平衡。 （由英飞凌和ADI公司提供）。

虽然无源顶部平衡消除了灾难性电池故障的风险，并在运行时间和使用寿命方面有所改善，但它有效地将电池组的总电流容量降低到最弱的细胞。由于被动平衡通常仅在电池充电时才进行，因此无法修复运行期间产生的不平衡（由于内部阻抗和自放电），这进一步降低了容量。

另一种选择是主动平衡技术，它将更强的细胞过剩电荷转移到需要它的一个或多个细胞。大多数有源系统使用的开关MOSFET类似于无源机制中使用的开关MOSFET，除了它们替代电感器用于放电电阻器，该放电电阻器用作变压器的次级侧，其主要位于整个电池组中（图3）。

图3：使用MCU监控电池电压并控制电感耦合电荷泵的电感耦合有源电池平衡。 MCU的A/D输入上的滤波器电路允许测量电荷泵变压器初级侧的电池电压。 （由英飞凌提供）。

有源顶部平衡（图4）是通过将具有较高电压的电池暂时连接到平衡电路的次级绕组来实现的，从而在初级绕组上产生感应电压。然后打开“施主”电池的开关，关闭“接收器”电池上的开关，使初级电能被驱回其次级绕组。这种技术允许在充电，待机或放电期间在电池之间传输能量，效率接近85％。

图4：顶部平衡使用有源磁开关电路（4a）通过激励变压器的次级绕组之一以在其初级绕组（4b）中感应电流来执行。 （由英飞凌提供）。

有源电感平衡也可用于执行“底部平衡”，允许更强的细胞与较弱的细胞共享其电荷。底部平衡可以在任何时间完成，但通常在放电循环期间完成，因为具有较小容量的电池接近其最大放电极限。在这种情况下，初级绕组通过电池组电压的脉冲通电，所有电池上的次级开关打开。一旦初级线圈通电，关闭要充电的电池的次级线圈的连接，允许传输储存的能量（图5）。底部平衡解锁了原本会被“搁浅”在电池内部的能量。

图5：使用有源磁开关电路进行底部平衡（5a）通过激励变压器的初级侧以在其次级绕组之一中感应出电流来执行。 （图5b）。 （由英飞凌提供）。

大多数有源平衡设计采用上述技术的变体，但德州仪器开发了一种替代架构，称为PowerPump。 PowerPump使用简单的电荷耦合开关在相邻单元之间切换电荷，而不是前面描述的经典的一对多架构（图6）。该电路工作频率约为200 kHz，可通过Q2的体二极管切换Q1，将电流从顶部电池推向底部电池。同样，通过将开关波形施加到Q2，可以使电荷从下部电池穿梭到上部电池。由于所涉及的损耗相对较低，因此PowerPump电路通过将多余电荷通过“斗式旅”方式传递到其他所需的位置来增强非相邻电池是切实可行的。

图6：Texas Instrument的PowerPump电池平衡技术使用简单的电荷穿梭方案在相邻电池之间传输能量。

例如，TI bq78PL114主网关电池控制器是专为大型串联电池串设计的完整锂离子控制，监控和安全解决方案的一部分。德州仪器最近还推出了基于PowerPump技术的汽车级有源平衡解决方案，将在下一节中讨论。

实施策略

所有电池平衡技术必须在电池组的其他电池管理和保护功能的框架。在大多数汽车设计中，用于电池平衡算法和控制功能的软件将在符合汽车标准的主机MCU上运行，通常位于电池管理系统（BMS）本身内（图7）。 BMS MCU通常可以使用相同的电子设备来确定电池的“电量计”和充电管理系统的电池电压，充电/放电电流和充电状态（SOC），以执行其电池平衡操作所需的类似测量。如本系列的第I部分所述，电池单元的SOC可以使用精确的电压测量来确定，或者如果需要更高的精度，则与库仑计数或测量流入和流出电池的总电流的一些其他技术相结合。在任何一种情况下，电池电压测量都需要一个分辨率为12到14位的A/D转换器。

图7：框图典型的电池管理系统。 （德州仪器公司提供）。

目前，大多数制造商都没有提供有源电池平衡的完整集成解决方案，但它们提供现成的产品，可处理必要的A/D，多路复用，电平转换和通信功能可以减少部件数量，模块尺寸和BOM成本。

例如，Maxim提供专为锂基汽车存储系统开发的12通道高压电池监控器（图8a）组合了一个12位SAR型A/D，一个由简单状态机控制的高压开关组输入。它配备了用于SMBus梯形串行通信的高速I2C总线。 MAX11080不是依赖主处理器进行故障保护，而是用于在任何单元超过用户可选阈值超过设定程序时提供瞬时过压或欠压故障指示。 - 延迟间隔（图8b）。目前，Maxim的产品线仅提供无源平衡解决方案，但这些器件同样适用于有源解决方案的测量和保护元件。

图8：集成电池单元监控和保护解决方案，最多可支持12个锂离子电池。

有源平衡电路也可以使用可寻址驱动器实现，该驱动器允许主机MCU控制一系列功率MOSFET，这些功率MOSFET用作平衡变压器的主要和次要支路上的开关。具有快速开关特性和低R dson 的MOSFET功率器件，如英飞凌的OptiMOS系列，Microsemi的CoolMOS器件和飞兆半导体的PowerTrench集成FET +肖特基产品，具有高效电荷转移所需的速度，电流容量和低开关损耗如果主动电池平衡技术在主流应用中得到认可，那么大多数参与电池管理的IC制造商可能会提供更高度集成的产品，以支持主动平衡方案。

但是，目前，唯一一家提供具有有源电池平衡功能的汽车级电池管理IC的公司是德州仪器。 bq76PL536-Q1（图9）基于TI的PowerPump充电穿梭技术，可为多达六个电池提供电池监控，电气/热保护和有源平衡。其高速（SPI）总线允许器件垂直堆叠，在高达192个电池的高压电池组堆叠上提供可靠的通信，无需额外隔离。

图9：德州仪器（TI）的bq76PL536-Q1的框图，这是一款具有集成有源电池平衡功能的汽车级电池监控/保护器件。 （由Texas Instruments提供）。

bq76PL536-Q1具有第二个I2C总线，用于与主机MCU通信，主机MCU编程和控制其片上监控和平衡功能。使用比较器检测过压，欠压和过温条件下的故障（二次）保护，因此它们独立于ADC系统和主机控制器，以确保快速，确定的响应。所有保护阈值和检测延迟时间均可通过I2C主机接口进行编程，并存储在内部EPROM中。

结论

TI bq76PL536-Q1等高度集成的解决方案将有助于缩小有源和无源电池平衡系统之间的成本差异。但由于某些无源解决方案的成本较低，目前尚不清楚有源技术所增加的运行时间和电池寿命是否会超过它为EV的BMS带来的额外成本和复杂性。至少部分问题的答案在于制造商能够在汽车电池的质量和均匀性方面提供多少改进。如果通过制造工艺，电池化学和纳米材料的进步可以进一步缩小今天电池的容量和阻抗变化（通常为2％-3％），那么除了最大的电动车电池之外的所有电池都可以通过简单的方式实现最小的损耗。 ，低成本的被动系统。 Maxim Semiconductor最近进行的一项研究计算出有效平衡可以增加到汽车电池组的10％-12％额外充电/放电循环的价值。假设电池组售价5000美元，主动平衡可以解锁价值约500美元的附加值，尽管它超过了车辆的8。5年使用寿命。如果这项研究是正确的，那么制造商可能难以证明每年70美元的节省成本，除非主动平衡的额外成本相对较低，并且还使车辆有明显的提升范围（5％-10％）。

另一方面，主动平衡技术的支持者表示，一旦高度集成的解决方案到来，它们的实施成本将低于当今的无源系统。这些成本节约主要是因为消除了昂贵的高功率电阻，热管理组件以及为下一代电动汽车供电的100+ kWh电池组所需的高电流接线。

虽然现在判断有源电池平衡是否会成为EV/HEV电池管理系统事实上的标准还为时尚早，但可以肯定的是，它将成为高性能车辆和其他运行时，能源应用的首选技术。效率和使用寿命至关重要。