电动汽车性能的中的被动平衡技术介绍

由于经济和环境因素严重倾向于电动汽车（EV），当今电池技术的局限性仍然是其广泛采用的最大速度。遗憾的是，这些能量存储系统中使用的化学过程不具有硅芯片所享有的相同的可扩展性和微米级制造公差。例如，即使是最好的锂离子（Li-ion）电池中发生的制造变化也会导致电池电压和容量的差异，从而极大地影响多电池堆的整体性能和使用寿命。我们很快就会看到，无源电池平衡技术可以为产品的运行时间或运行时间增加5％到10％，并为其使用寿命增加更多的充电周期。在许多情况下，平衡电子设备可以添加到电池现有的管理电子设备中，每个电池只需0.07美元。

细胞差异

像雪花一样，没有两个锂离子电池完全相同。每个制造商都使用自己的阳极，阴极和电解质材料“混合物”。因此，电池电压变化很大（通常为2.7 V - 4.25 V），许多EV中使用的磷酸锂和3.6 V范围内的HEV。但即使具有相同化学性质的电池在容量，开路电压，充电容量，自放电率，阻抗和影响其充电状态（SOC）的热特性方面也表现出一定程度的变化。

当以串联配置组装时，这些差异仅允许堆栈充电，直到最弱的单元充满，即使其邻居愿意接受更深的充电。由于大多数基于锂的化学物质具有高反应性，将任何额外的电流推入电池组可以将充满电的电池驱动到过压状态，从而导致发热损坏，并在某些情况下引发火灾。虽然必须将电池的电荷控制在10-50 mV以内，以避免将其设置在通向致命热失控的路径上，但2-5 mV被认为是防止损坏所需的最小分辨率，从而降低其容量和使用寿命。最弱的电池还决定了电池组在耗尽之前可以提供多少电流，其中称为枝晶的晶体从电池的电解质中沉淀出来，导致其结构内出现微短路。

更糟糕的是，随着电池老化，电池之间的差异变宽，导致容量和使用寿命损失更大（图1）。

图1：随着电池老化，各个细胞的平均容量下降，而细胞之间的容量变化增加（英飞凌提供）。

有源与无源电池平衡

为了解锁更多电池的潜在容量，有必要添加均衡电池间电荷的电路。今天的大多数设计基于某种“被动平衡”技术，该技术使用电阻器卸载或“顶部平衡”过充电电池，使其输出电压低于充电器的电压调节点，允许堆栈的其余部分继续充电（图2）。由于它从电池中消耗能量，因此通常仅在电池充电时才进行被动平衡。为防止损坏，必须经常对单个电池条件进行采样。实际采样率取决于电池的化学成分和最大充电速率，但笔记本电池通常在4-10 sps监测，而EV/HEV电池的速率在20-100 sps之间变化。

图2：可以使用如此处所示的分立元件和主机MCU，或使用多个制造商提供的更集成的解决方案之一来实现无源单元平衡。 （由英飞凌提供。）

虽然能量损失和热量问题限制了被动平衡技术的有效性，但它们易于实施，并且对于大多数应用来说非常经济有效。然而，人们越来越关注所谓的“主动平衡”技术，该技术利用感应电荷穿梭将电荷从具有较高SOC的电池转移到较弱的电池。除了释放更多本来无法使用的能量之外，主动平衡还可以进一步减少在正常工作条件下对较弱电池造成的损害，使电池组能够提供高达20％的充电周期。由于有源平衡电路的较高成本和复杂性目前限制了其受欢迎程度，因此本文侧重于被动平衡。主动平衡技术将在后续文章中介绍。

设计问题

控制哪种被动平衡解决方案最适合您的应用的两个关键问题是电池电池堆的容量以及电池之间的变化量。诸如电动自行车，无绳电动工具和其他消费者应用的应用使用较便宜的电池，其可具有10％或更高的差异，但是它们的总容量足够低，可以使用50-200mA的放电电流来平衡。这使他们能够使用高度集成的电池管理IC，例如Texas Instruments的bq77PL900，其中包括用于驱动系统耗散电阻的功率晶体管（通常为FET）。

相比之下，制造商生产用于混合动力汽车和电动汽车的汽车级电池，最大电池SOC变化为3％至5％。平衡这些高功率堆栈中的一些通常需要1-2A的泄放电流，并且在一些情况下需要高达10A。这需要使用外部开关晶体管，这增加了电池管理系统的成本和复杂性。

用于控制被动平衡的测量技术的复杂性和有效性也各不相同。最简单的是，TI的bq77PL900（图3a）等产品可以作为独立的电池保护系统，将每个电池的电压与预编程的阈值进行比较，以确定是否需要电池平衡。如图3b所示，当堆栈中的任何单元达到上限阈值（VOV）时，停止充电并启用内部旁路，直到其电压降至下限。重新启用充电并重复该循环，直到最低电压电池达到恢复极限（VOV-ΔVoVH）并停止充电。尽管对许多应用有用，但该技术具有固有的误差，因为它没有考虑当充电电流通过时由电池阻抗引起的电压偏差。由于控制器的传感器无法判断它看到的电压差是由电池容量还是阻抗不平衡引起的，因此不能保证所有电池都能达到100％的容量。

a）

b）

图3：德州仪器公司的bq77pl900（a）仅使用电池间电压测量执行无源电池平衡（b）。 （德州仪器公司提供）。

有几种方法可以提高纯电压平衡的精度。例如，德州仪器（TI）的bq2084-V143仅通过在电流结束附近平衡来最小化阻抗差异的影响，其中电流逐渐减小。

对于更高功率的汽车应用，设计人员避免使用“智能”电池管理系统，并依靠外部主机处理器来实现容量测量和平衡算法。这是因为严格的安全法规和认证要求适用于运行其自己的嵌入式固件的任何动力传动系或底盘子系统。对于这些应用，高度集成的电池管理解决方案，如德州仪器的bq76PL536A-Q1可堆叠HEV/EV电池监控器/保护器，提供无源平衡，保护和测量功能，可通过I²C或SMBus接口由车辆主处理器控制。