电源管理：有源电池平衡技术提高大型锂离子电池组供电能力

T，以提供要求的QNEED。这类电池电量监测计可轻松地实施基于QNEED的电池平衡方案，这是由于总电量和SOC在监测功能中均较稳定地处于可用状态。因为电池平衡并未让电池阻抗差异失真，所以它可以独立于电池充电、放电甚至闲置状态工作。更为重要的是，它获得了最佳的平衡精度。

图5：基于QNEED的电池平衡。

由于使用集成FET解决方案的无源电池平衡技术的平衡能力有限，因此电池差异或失衡率可能超过电池平衡。另外，由于存在低旁路电流，它可能会占用几个周期来对一般失衡进行校正。利用现有组件设计一些外部旁路电路可以增强电池平衡(请参见图6和图7)。在图6中，当决定对某节电池进行平衡时内部平衡MOSFET首先开启。这便形成一条低电流通路，其通过连接电池端(电池1和电池2)及IC引脚的外部滤波器电阻。当内部FET栅-源电压在电阻中形成，该外部MOSFET便被开启。其缺点是，邻近电池无法快速、同时获得平衡。例如，如果邻近内部FET被开启，则Q2不能被开启，因为没有通过R2的电流。

图6

图7

图7显示了无源电池平衡的最新例子。它是一款低成本、单芯片电池电量监测计解决方案。与前面所述的电池电量监测计解决方案不同，这种IC没有内部电池平衡，但需要一个类似的外部旁路电路来完成平衡。然而，由于该平衡实现电路是一个IC内部的开路漏极，因此它可以同时平衡包括邻近电池在内的数节电池。这种平衡电路使用一种改进的电压算法，正如图6所示电路。但是，图7中的外部FET驱动器描述了更为有效的电池平衡方法。

有源电池平衡

由于高能量电池中100%的多余能量都以热的形式耗散掉了，因此无源平衡并非是放电期间的首选方法。有源电池平衡使用电容或电感电荷穿梭来转移电池之间的电荷，这是一种极为高效的方法。这是因为，能量被转至需要的地方，而非被放掉。这样做的代价是会增加更多的部件和成本。

获得专利的bq78PL114 PowerPump电池平衡技术是使用电感电荷传输的有源电池平衡的最新例子。它使用一对MOSFET(N通道和P通道)以及一个功率电感来实现在两个邻近电池之间建立电荷转移电路。

电池组设计人员设定串联电池之间的失衡阈值。如果IC测量到超出该阈值的失衡，它就会启用PowerPump。图8显示的是使用了两个MOSFET(Q1和Q2)及一个功率电感的降压升压电路简图。顶部电池(V3)需要将能量转移至低位电池(V2)，P3S信号(工作在约200kHz和30%占空比下)触发该能量转移，随后能量通过Q1流至电感。当P3S信号重置时，Q1关闭，电感能量水平处在最高水平。因为电感电流必须不断流动，因此Q2的体二极管被正向偏置，从而完成向V2位置电池的电荷转移。需要注意的是，由于其串联电阻较低，存储于该电感中的能量只有轻微的损耗。

图8：使用PowerPump技术的电池平衡。

假定串联电池的长度和容量不定，则转移电荷时有一些限制。一种考虑是在我们不再获得能量供给优化之前，我们能将能量移至多远？换句话说，在转换器的低效率超过平衡电池的诸多好处以前，我们能将电荷移至多远？在我们的测试中使用85%的估计效率，PowerPump 仅将能量转移至不到6节电池远的地方。但重要的是，忽略效率的情况下，在整个电池组可能达到完全平衡以前必须取得“区域平衡”。

除了这些明显的优点以外，PowerPump电池平衡技术的好处是平衡可能忽略单个电池电压。这意味着，如果你决定在两节电池之间转移电荷，它可以在任何电池工作模式序列(充电、放电和重置)期间进行。即使提供电荷的电池电压比接收电荷的电池电压低(例如，充电或放电时较低的电池电阻引起的低电压)也可以完成转移。相比“电阻泄漏”平衡，能量的热损耗较小。

下列为三种可选平衡算法：

* 端压(TV)抽取

* 开路电压(OCV)抽取

* 充电状态(SOC)抽取(预平衡)

TV抽取就像前面介绍的电压无源电池平衡。正如图4所示，充电期间的TV平衡并不总是产生一种趋向放电结束的平衡电量。这是由于我们前面提到过的电池阻抗不匹配。OCV抽取根据电池组电流和电池阻抗测量结果，通过估计OCV来补偿阻抗差异。

图9

图10

SOC抽取以一种同阻抗追踪器件类似的方式工作，它计算出每一节电池的精确电荷电平，并在电池之间转移能量，这样电池电量在充电结束时(EOC)就实现了平衡(请参见图9*)。观察放电OCV图(见图10*)，我们将每一节电池预平衡到一个反映其电量的失调电压。几个百分点的电量差异会使该放电曲线中下方出现巨大差异。如果我们已知1%到2%的电量，我们便可以在放电结束时拥有极为接近的匹配性。这就是在充电完成和放电结束时，你想要利用有源平衡技术有效地让电池获得最佳平衡的区域。

相比传统的无源平衡