用于串联连接电池的有源平衡解决方案

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。

高效率双向平衡提供最强的容量恢复能力

LTC3300 (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 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。

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 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。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 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% 的解决方案相比，这允许平衡电流提高一倍多。此外，更高的平衡器效率允许更有效地重新分配电荷，这反过来又可产生更有效的容量恢复和更快速的充电。

局部电池负责完成大部分的平衡工作

整个电池组内的电荷转移是通过使副端接线交错 (如图 7 所示) 来实现的。以这种方式进行交错将允许电荷在任何一组电池 (6 节) 与一组相邻电池之间来回转移。请注意，相邻的电池在电池组中既可以位于上方也可以位于下方。当优化某种平衡算法时这种灵活性是有帮助的。关于任何交错式系统存在着一种常见的误解：将电荷从一个非常高电池组的顶端重新分配至底端其效率一定是极低的，这是因为将电荷从电池组顶端移至底端需要进行大量的转换。然而，如图 7 中给出的实例所示，大多数平衡只是通过在与那些需要电荷平衡的电池最靠近的电池之间的电荷重新分配来完成的。含有 10 个或更多电池的副端电池组使得一个电荷不足的电池 (若不补充电荷则其将限制整个电池组工作时间) 简单地通过运行一个平衡器就能恢复其"丢失"容量的 90% 以上。因此，利用 LTC3300的交错式拓扑将无需把电荷从电池组的顶端一