随着电池组的老化 高效的双向主动平衡器可延长电池运行时间

由串联的、高功率密度、高峰值功率锂聚合物或锂铁磷酸 (LiFePO4) 电池组成的大型电池组被普遍用于全电动 (EV 或者 BEV) 和混合燃气 / 电动汽车 (HEV 和插电式混合电动汽车或 PHEV)、储能系统 (ESS) 等各种应用。据预测，电动汽车市场对大规模串联 / 并联电池组将有很强的需求。PEV 和 EV 销售在 2012 ~ 2020 年度的复合增长率 (CAGR) 将达到 37.4%1。对大容量电池的需求越来越强烈，而电池价格一直非常高，是 EV 或 PHEV 价格最高的组件，对于能行驶几十公里范围的电池价格通常就要超过 10,000 美元。高成本可以通过使用低成本 / 翻新电池来减轻成本压力，但这类电池会有较大的容量不匹配问题，这会缩短可使用时间和在一次充电后的行驶距离。即使是成本较高、质量较好的电池也会老化，不断重复使用会导致电池失配。要提高具不匹配电池的电池组容量可以通过两种方式来实现：开始时采用较大的电池，但这样做非常不符合成本效益;或采用主动平衡，该新技术可恢复电池组的电池容量，正有快速上升势头。

所有的串联连接电池必需保持电荷平衡

当一个电池组中的每节电池具备相同的电荷状态 (SoC) 时，这些电池就是“平衡”的。SoC 指的是个别电池随着它的充电和放电，相对于其最大容量的剩余容量。例如：一个剩余容量为 5A-hr 的 10A-hr 电池具有 50% 的 SoC。所有的电池都必须保持在某个 SoC 范围之内以避免受损或寿命缩短。可容许的 SoC 最小值和最大值因应用而异。在最重视电池运行时间的应用中，所有电池都可以在 20% 的 SoC 最小值和 100% 的最大值 (满充电状态) 之间工作。而就要求电池寿命最长的应用而言，可能将SoC范围限制在 30% 最小值和 70% 最大值之间。在电动型汽车和电网存储系统中，这些数值是典型的SoC 限制，电动型汽车和电网存储系统使用非常大和非常昂贵的电池，更换费用极高。电池管理系统 (BMS) 的主要作用是，仔细监视电池组中的所有电池，确保每一节电池的充电或放电都不超出该应用充电状态限制的最小值和最大值。

在采用串联 / 并联电池阵列时，并联连接电池会相互自动平衡，这种假定一般来说是对的。也就是说，随着时间推移，只要电池接线端子之间存在传导通路，那么在并联连接的电池之间，电荷状态就会自动平衡。串联连接电池的电荷状态会随着时间变化而分化，这种假定也是对的，这么说有几个原因。由于电池组各处温度变化率的不同，或者电池之间阻抗不同、自放电速率或加载之不同，SoC 会逐步发生变化。尽管电池组的充电和放电电流往往使电池之间的这些差异显得不那么重要，但是累积起来的失配会越来越大，除非对电池进行周期性的平衡。之所以要实现串联连接电池的电荷平衡，最基本的原因就是补偿各节电池 SoC 的逐步变化。通常，在一个各节电池具有严密匹配之容量的电池组中，运用被动或耗散电荷平衡方案足以使 SoC 重新达到平衡。

如图 1A 所示，无源平衡简单而且成本低廉。不过，无源平衡速度非常慢，在电池组内部产生不想要的热量，而平衡是通过降低所有电池的余留容量，以与电池组中 SoC 值最低的电池相匹配。由于另一个常见的问题“容量失配”，无源平衡还缺乏有效应对 SoC 误差的能力。随着老化，所有电池的容量都会减小，而且电池容量减小的速率往往是不同的，原因与之前所述的类似。因为流进和流出所有串联电池的电池组电流是相等的，所以电池组的可用容量由电池组中容量最小的电池决定。只有采用有源平衡方法 (例如图 1B 和 1C 中所示的那些方法) 才能向电池组各处重新分配电荷，以及补偿由于不同电池之间的失配而导致容量的减小。

图 1：典型的电池平衡拓扑

电池之间的失配能大幅度地缩短运行时间

电池之间无论是容量还是 SoC 之间的失配都可能严重缩短电池组的可用容量，除非这些电池是平衡。要最大限度地提高电池组的容量，就要求在电池组充电和电池组放电时电池都是平衡。

在图 2 所示的例子中，电池组由 10 节电池串联组成，每节电池的容量均为100A-hr (标称值)，容量最小的电池与容量最大的电池之间的容量误差为 ±10%，对该电池组充电或放电，直至达到预定的 SoC 限制为止。如果 SoC 值限制在 30% 至 70% 之间，而且没有进行容量平衡，那么在一个完整的充电 / 放电周期之后，相对于这些电池的理论可用容量，可用电池组容量降低了 25%。在电池组充电阶段，无源平衡从理论上可以让每节电池的 SoC 相同，但是在放电时，无法防止第 10 节电池在其他电池之前达到 30% 的 SoC 值。即使在