簡(jiǎn)介

鋰電池的穩(wěn)定性和安全性需要被謹(jǐn)慎對(duì)待。鋰離子電池電芯（Cell, 或稱電池單元）如果不能在受限充電狀態(tài) (SOC) 范圍內(nèi)運(yùn)行，其容量可能會(huì)降低。超出其 SOC 限制，電池就可能會(huì)損壞，導(dǎo)致不穩(wěn)定和不安全的行為。為了確保鋰離子電池電芯的安全性、壽命和容量，必須謹(jǐn)慎設(shè)置其 SOC限制。

為了最大限度地提高每個(gè)電芯的可用容量和使用壽命，必須在所有電芯在 SOC 范圍內(nèi)運(yùn)行的同時(shí)，盡量減少電芯的退化。實(shí)際上，只需將電芯保持在受限的 SOC 范圍內(nèi)，不干預(yù)，即可避免電芯的退化，但其可用容量還是會(huì)隨著 SOC 的不匹配而逐漸減少。這是因?yàn)?，?dāng)一個(gè)電芯達(dá)到 SOC 上限或下限時(shí)，充電或放電就必須停止，即使其他電芯還有剩余容量（見(jiàn)圖 1）。

如今的大多數(shù)電池管理系統(tǒng) (BMS) 都包含被動(dòng)平衡功能，它可以周期性地將所有串聯(lián)電芯的SOC調(diào)整至一個(gè)相同的值。被動(dòng)平衡的做法是，根據(jù)需要在每個(gè)電芯上連接一個(gè)電阻，以耗散能量并降低電芯的 SOC。作為被動(dòng)平衡的替代方案，主動(dòng)平衡則利用功率轉(zhuǎn)換在電池組中的電芯之間重新分配電荷。這種方法可以實(shí)現(xiàn)更高的平衡電流、更低的發(fā)熱量、更快的平衡時(shí)間、更高的能效和更長(zhǎng)的運(yùn)行范圍。

本文將介紹幾種常見(jiàn)的主動(dòng)平衡方法，并提供其中一種方法的設(shè)計(jì)示例。

電芯平衡

即使最初匹配良好，電池組中的電芯也會(huì)隨著時(shí)間的推移而產(chǎn)生容量變化。例如，電池組中不同物理位置的電芯可能經(jīng)歷不同的溫度或壓力，從而影響容量。此外，輕微的制造差異也可能隨著時(shí)間的推移放大，造成容量差異。了解容量差異對(duì)于了解 SOC失衡的來(lái)源非常重要。

電池電芯 SOC 的變化主要取決于電芯容量和流入/流出電芯的電流。例如，4Ahr 電池在 1 小時(shí)內(nèi)接收 1A 電流會(huì)導(dǎo)致SOC 變化 25%；類似的，2Ahr 電池則將經(jīng)歷 50% 的 SOC 變化。

維持 SOC 平衡需要根據(jù)每個(gè)電芯的容量調(diào)整其充電/放電電流。并聯(lián)連接的電芯會(huì)自動(dòng)執(zhí)行此操作，因?yàn)殡娏鲿?huì)從高 SOC 電池流向低 SOC 電池。但串聯(lián)電芯之間的電流相同，如果存在容量差異，就會(huì)造成不平衡。這一點(diǎn)很重要，因?yàn)榇蠖鄶?shù)電池組都具有串聯(lián)電芯連接，當(dāng)然也可能包含并聯(lián)連接。

SOC調(diào)整同時(shí)適用于被動(dòng)平衡和主動(dòng)平衡。

被動(dòng)平衡通過(guò)在單個(gè)電芯上連接電阻負(fù)載（通常采用BJT 或 MOSFET 晶體管）來(lái)降低電芯SOC。主動(dòng)平衡則采用開(kāi)關(guān)模式在電池組中的電芯之間重新分配能量。由于增加了實(shí)施復(fù)雜性和成本，傳統(tǒng)的主動(dòng)平衡通常僅限于具有極高功率水平和/或大容量電池的電池系統(tǒng)，例如發(fā)電站中的電池、商業(yè)儲(chǔ)能系統(tǒng) (ESS)、家用儲(chǔ)能系統(tǒng)和電池備用裝置。現(xiàn)有的新型解決方案成本和復(fù)雜性顯著降低，這讓越來(lái)越多的應(yīng)用都能夠利用主動(dòng)平衡的優(yōu)勢(shì)。

被動(dòng)平衡的電流通常限制為 0.25A，而主動(dòng)平衡可高達(dá) 6A。更高平衡電流可實(shí)現(xiàn)更快的平衡，從而支持更大容量的電池單元，例如 ESS 中使用的電池單元。此外，更高平衡電流支持系統(tǒng)以快速周期運(yùn)行，其中的平衡也必須快速完成。

被動(dòng)平衡只消耗能量；主動(dòng)平衡則會(huì)重新分配能量，從而顯著提高能效。被動(dòng)平衡僅在充電周期內(nèi)可行，因?yàn)榉烹娖陂g的操作會(huì)加劇電池組的能量消耗。主動(dòng)平衡則在充電或放電期間都可以進(jìn)行，放電期間進(jìn)行主動(dòng)平衡可以有更多的平衡時(shí)間，并允許電荷從強(qiáng)電池轉(zhuǎn)移到弱電池，從而延長(zhǎng)電池組的運(yùn)行時(shí)間（見(jiàn)圖 2）?？傊?，對(duì)于需要更快平衡、有限熱負(fù)載、需要提高能效和增加系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的應(yīng)用，主動(dòng)平衡更加有利。

主動(dòng)平衡方法

常用的主動(dòng)平衡拓?fù)浒ㄖ苯幼儔浩魇?、開(kāi)關(guān)矩陣加變壓器式和雙向升降壓平衡。

基于變壓器（雙向反激式）的主動(dòng)平衡器

雙向反激式變換器允許電荷雙向傳輸。雙向反激式通常設(shè)計(jì)為邊界模式反激式變換器。電池組中的每個(gè)電池單元都需要一個(gè)雙向反激式變換器，包括一個(gè)反激式變壓器（見(jiàn)圖 3）。

采用不同的變壓器設(shè)計(jì)時(shí)，能量傳輸?shù)穆窂揭灿兴煌?。例如，能量可以從一個(gè)電芯傳輸?shù)揭粋€(gè)電池組內(nèi)的另一個(gè)電芯子群；能量可以從任何一個(gè)電芯傳輸?shù)诫姵亟M的頂部（連接到電池組端子），此時(shí)會(huì)需要一個(gè)大型高壓反激變壓器；能量還可以傳輸?shù)健⒒騺?lái)自一個(gè)輔助電源軌，例如24V 系統(tǒng)（見(jiàn)圖 3）。

基于變壓器的主動(dòng)平衡方法通常需要許多變壓器，這會(huì)導(dǎo)致具有高串?dāng)?shù)的電池組解決方案體積大且成本高。

開(kāi)關(guān)矩陣+變壓器主動(dòng)平衡器

開(kāi)關(guān)矩陣加變壓器方法利用開(kāi)關(guān)陣列將變壓器連接到每個(gè)電芯，從而將變壓器數(shù)量減至一個(gè)。開(kāi)關(guān)矩陣中有兩類開(kāi)關(guān)：電芯開(kāi)關(guān)和極性開(kāi)關(guān)。電芯開(kāi)關(guān)是直接連接到電池電芯的背對(duì)背 MOSFET，它們可以阻止沿充電和放電方向流動(dòng)的電流。相反，極性開(kāi)關(guān)僅阻止沿一個(gè)方向流動(dòng)的電流，而且它們直接連接到單個(gè)雙向反激式變換器或雙向正激變換器的副邊（見(jiàn)圖 4）。

雙向反激式變換器或正激變換器的副邊連接到電池組或輔助電源軌。在這種配置中，每個(gè)電芯都可以與電池組或輔助電源軌在充電或放電期間交換能量。開(kāi)關(guān)矩陣加變壓器方法的主要優(yōu)點(diǎn)是只需要一個(gè)變壓器。

雙向升降壓主動(dòng)平衡器

升降壓主動(dòng)平衡器采用的方法更簡(jiǎn)單，它利用了常用的升降壓電池充電器技術(shù)。升降壓主動(dòng)平衡是將電荷移動(dòng)到直接相鄰的電芯，而不是將電荷移動(dòng)到電池組的各個(gè)位置或單獨(dú)的電源軌，這極大地簡(jiǎn)化了平衡電路，并充分利用多個(gè)平衡器的同時(shí)操作將電荷分配到整個(gè)電池組中。

雙通道升降壓平衡器通過(guò)降壓平衡模式或升壓平衡模式，在兩個(gè)相鄰電芯之間提供雙向電荷移動(dòng)。通過(guò)在每對(duì)電芯上配置一個(gè)雙通道升降壓平衡器，電荷可以在整個(gè)電池組中移動(dòng)（見(jiàn)圖 5）。

與前兩種主動(dòng)平衡器相比，雙通道升降壓主動(dòng)平衡器遵循了一個(gè)簡(jiǎn)單的流程：

·在降壓平衡模式下，主動(dòng)平衡器將能量從上部電池 (CU) 傳輸?shù)较虏侩姵?(CL)

·在升壓平衡模式下，主動(dòng)平衡器將能量從 CL 傳輸?shù)?CU

在三種類型的主動(dòng)平衡器中，雙向升降壓主動(dòng)平衡器最簡(jiǎn)單，也最可靠。表 1 對(duì)這三種主動(dòng)平衡方法進(jìn)行了比較。

設(shè)計(jì)示例

MP264x 系列器件（如MP2641、MP2642和MP2643）是高度集成的雙向升降壓主動(dòng)平衡器，它們可以在兩個(gè)串聯(lián)的鋰離子電芯之間提供高達(dá) 3A 的電荷重分配（見(jiàn)圖 6）。該系列器件可用于所有常見(jiàn)的鋰離子電池化學(xué)成分，例如 NMC、NCA、鋰聚合物和 LFP。MP264x 可有效地在電芯之間移動(dòng)電荷，最大限度地減少平衡時(shí)間和熱量的產(chǎn)生。MP264x 還可以補(bǔ)償不匹配的電池容量，從而延長(zhǎng)電池使用時(shí)間。為了保證安全的運(yùn)行，MP264x 還提供 CL 和 CU 過(guò)壓保護(hù) (OVP) 和欠壓保護(hù) (UVP)，以及過(guò)溫關(guān)斷保護(hù)。MP264x 系列采用 QFN-26（4mmx4mm）封裝。

MP264x的配置非常簡(jiǎn)單：

1. 設(shè)置降壓平衡電流（IUBC）。IUBC 可通過(guò)連接在 MP264x 的 UBC 和 AGND 引腳之間的外部電阻（RUBC，單位為 k?）在0.5A 至 2.5A 之間進(jìn)行配置。IUBC 的計(jì)算公式 (1) 如下：

   

2. 設(shè)置升壓平衡電流（ILBC）。ILBC 可通過(guò)連接在 MP264x 的 LBC 和 AGND 引腳  之間的外部電阻（RLBC，單位為k?）在0.5A 至 3A 之間進(jìn)行配置。ILBC 的計(jì)算公式 (2) 如下：

   

其中 VCL 為低電池電壓（CL 和 AGND 之間），VCU 是兩個(gè)串聯(lián)電芯的電壓（CU 和 AGND 之間）。VCL 和 VCU 均指未啟用平衡功能時(shí)測(cè)得的電壓。η 是變換器的升壓平衡效率；該值取決于電芯電壓，因此需合理選擇（見(jiàn)表 2）。

將多個(gè) MP264x 器件組合在一起，可以將主動(dòng)平衡功能擴(kuò)展到任意數(shù)量的串聯(lián)電芯，電荷可以重新分配到電池組內(nèi)的任意電芯。圖 7 顯示了三個(gè) MP264x 器件串聯(lián)在一起的 4 芯電池主動(dòng)平衡功能示例。

總結(jié)

隨著對(duì)更安全、更節(jié)能、使用壽命更長(zhǎng)的鋰離子電池系統(tǒng)的需求不斷增長(zhǎng)，電池平衡功能的需求也日益高漲。被動(dòng)平衡僅限于簡(jiǎn)單消耗能量的小電流，已不能滿足現(xiàn)在的需求。主動(dòng)平衡解決方案因其高電流、快速平衡等優(yōu)勢(shì)而越來(lái)越多地被采用，尤其是更簡(jiǎn)單、更可靠的雙向升降壓主動(dòng)平衡器（例如MP2641、MP2642和MP2643）。馬上了解 MPS 的主動(dòng)平衡器，為您的應(yīng)用找到更好的解決方案。