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

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。即使在电池组充电时采用无源平衡，在电池组放电时也会显著“丢失”容量 (容量不可用)。只有有源平衡解决放案才能实现“容量恢复”，有源平衡解决方案在电池组放电时从 SoC 值较高的电池向 SoC 值较低的电池重新分配电荷。

图 2：由于电池之间的失配而导致电池组容量损失的例子

图 3 说明了怎样采用“理想的”有源平衡，使由于电池之间的失配而“丢失”的容量得到 100% 的恢复。在稳定状态使用时，当电池组从 70% SoC 的“满”再充电状态放电时，实际上必须从第 1 号电池 (容量最高的电池) 取出所存储的电荷，将其转移到第 10 号电池 (容量最低的电池)，否则，第 10 号电池会在其他电池之前达到其 30% 的最低 SoC 点，而且电池组放电必须停止，以防止进一步缩短寿命。类似地，在充电阶段，电荷必须从第 10 号电池移走，并重新分配给第 1 号电池，否则第 10 号电池会首先达到其 70% 的 SoC 上限，而且充电周期必须停止。在电池组工作寿命期的某时点上，电池老化的差异将不可避免地导致电池之间的容量失配。只有有源平衡解决方案才能实现“容量恢复”，这种解决方案按照需要，从 SoC 值高的电池向 SoC 值低的电池重新分配电荷。要在电池组的寿命期内实现最大的电池组容量，就需要采用有源平衡解决方案，以高效率地给每节电池充电和放电，在电池组各处保持 SoC 平衡。

图 3：用理想有源平衡实现容量恢复

高效率双向平衡提供最强的容量恢复能力

LTC3300-1 (参见图 4) 是一个新产品，专门为满足高性能有源平衡的需求而设计。LTC3300-1 是一款高效率、双向有源平衡控制 IC，是高性能 BMS的关键组件。每个 IC 都能同时平衡多达 6 节串联连接的锂离子 (Li-Ion) 或磷酸铁锂 (LiFePO4) 电池。

图 4：LTC3300-1 高效率双向多节电池有源平衡器

SoC 平衡通过在一节选定的电池和一个由多达 12 节或更多节相邻电池构成的子电池组之间重新分配电荷来实现。平衡决策和平衡算法必须由单独的监视器件以及控制 LTC3300-1 的系统处理器来应对。电荷从一个指定电池重新分配给由 12 节或更多相邻电池组成的电池组，以给该电池放电。类似地，从 12 节或更多相邻电池组成的电池组将电荷转移给一个指定的电池，以给该电池充电。所有平衡器可能同时在任一方向上工作，以最大限度地缩短电池组的平衡时间。所有平衡控制命令都通过一个可叠置和噪声裕度很大的串行 SPI 接口提供给每个 IC，对电池组的高度没有限制。

LTC3300 中的每个平衡器都采用非隔离式、边界模式同步反激式电源级，以实现对每一节电池的高效率充电和放电 (参见图 5)。6 个平衡器中的每一个都需要自己的变压器。每个变压器的“主”端跨接在接受平衡的电池上，“副”端跨接在 12 节或更多相邻电池上，包括接受平衡的电池。副端上电池的数量仅受外部组件击穿电压的限制。在相应的外部开关和变压器调节范围内，电池的充电和放电电流可由外部检测电阻器设定为高达 10 安培以上的值。

图 5：双向反激式电源级的工作

通过主端和副端组件进行的排序和 IPEAK / IZERO 电流检测取决于平衡器是否启动以给电池充电或放电。高效率是通过同步工作以及组件的恰当选择实现的。每个平衡器都是通过 BMS 的系统处理器启动的，而且平衡器将保持启动状态，直至 BMS发出停止的命令或指示检测到故障。

平衡器效率事关紧要!

电池组面对的大敌之一是热量。高环境温度会快速缩短电池寿命并降低其性能。不幸的是，在大电流电池系统中，平衡电流也必须很高，以延长运行时间或实现电池组的快速充电。如果平衡器的效率不高，就会在电池系统内部导致不想要的热量，而且这个问题必须通过减少能在给定时间运行的平衡器之数量来解决，或通过采用昂贵的降低热量方法来应对。如图 6 所示，LTC3300-1 在充电和放电方向实现了 >90% 的效率，与具备相同平衡器功耗、效率为 80% 的解决方