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隨著電池組的老化,高效的雙向主動平衡器可延長電池執行時間

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隨著電池組的老化,高效的雙向主動平衡器可延長電池執行時間

【撰文/Samuel Nork,Steve Knoth

由串聯、高功率密度、高峰值功率鋰聚合物或鋰鐵磷酸 (LiFePO4) 電池組成的大型電池組被普遍用於全電動 (EV 或者 BEV) 和混合燃氣/ 電動汽車 (HEV 和插電式混合電動汽車或 PHEV)、儲能系統 (ESS) 等各種應用。根據預測,電動汽車市場對大規模串聯/ 並聯電池組將有強烈的需求。PEV 和 EV 銷售在 2012 ~ 2020 年度的複合成長率 (CAGR) 將達到 37.4%。市場對大容量電池的需求已越來越強烈,但電池價格一直居高不下,其中以 EV 或 PHEV 為價格最高的元件,對於能行駛幾十公里範圍的電池價格通常需超過 10,000 美元。高成本可以透過使用低成本/ 翻新電池來減輕成本壓力,但這類電池會有較大的容量不匹配問題,這將縮短可使用時間和在一次充電後的行駛距離。即使是成本較高、品質較好的電池也會老化,不斷重複使用會導致電池失配。要提高具不匹配電池的電池組容量,可透過兩種方式來實現:其一是開始時採用較大的電池,但這非常不符合成本效益;另外是採用主動平衡,該新技術可恢復電池組的電池容量,並且有快速上升的趨勢。

所有的串聯連接電池必需保持電荷平衡

當一個電池組中的每顆電池具備相同的電荷狀態 (SoC) 時,這些電池就是“平衡”的。SoC 指的是個別電池隨著它的充電和放電,相對於其最大容量的剩餘容量。例如:一個剩餘容量為 5A-hr 的 10A-hr 電池具有 50% 的 SoC。所有的電池都必須保持在某個 SoC 範圍之內以避免受損或壽命縮短。可容許的 SoC 最小值和最大值因應用而異。在最重視電池執行時間的應用中,所有電池都可在 20% 的SoC 最小值和 100% 的最大值 (滿充電狀態) 之間工作。而就要求電池壽命最長的應用而言,可能將SoC範圍限制在 30% 最小值和 70% 最大值之間。在電動型汽車和電網儲存系統中,這些數值是典型的SoC 限制,電動型汽車和電網儲存系統使用非常大和非常昂貴的電池,更換費用極高。電池管理系統 (BMS) 的主要作用是,仔細監視電池組中的所有電池,確保每一節電池的充電或放電都不超出該應用充電狀態限制的最小值和最大值。

 

在採用串聯 / 並聯電池陣列時,並聯連接電池會相互自動平衡,這種假設一般來說是對的。也就是說,隨著時間推移,只要電池接線端子之間存在傳導通路,那麼在並聯連接的電池之間,電荷狀態就會自動平衡。串聯連接電池的電荷狀態會隨著時間變化而分化,這種假設也是對的,這麼說有幾個原因。由於電池組各處溫度變化率的不同,或者電池之間阻抗不同、自放電速率或載入之不同,SoC 會逐步發生變化。儘管電池組的充電和放電電流往往使電池之間的這些差異顯得不那麼重要,但是累積起來的失配會越來越大,除非對電池進行週期性的平衡。之所以要實現串聯連接電池的電荷平衡,最基本的原因就是補償各節電池 SoC 的逐步變化。通常,在一個各節電池具有嚴密匹配之容量的電池組中,運用被動或耗散電荷平衡方案足以使 SoC 重新達到平衡。

如圖 1A 所示,被動平衡簡單而且成本低廉。不過,被動平衡速度非常慢,在電池組內部會產生不想要的熱量,而平衡是透過降低所有電池的餘量,以與電池組中 SoC值最低的電池相匹配。基於另一個常見的問題“容量失配”,被動平衡還缺乏有效應對 SoC 誤差的能力。隨著老化情況產生,所有電池的容量都會減小,而且電池容量減小的速率往往是不同的,原因與之前所述的類似。因為流進和流出所有串聯電池的電池組電流是相等的,所以電池組的可用容量由電池組中容量最小的電池決定。只有採用主動平衡方法(例如圖 1B 和 1C 中所示的那些方法)才能向電池組各處重新分配電荷,以及補償由於不同電池之間的失配而導致容量的減小。

1:典型的電池平衡架構

電池之間的失配會大幅縮短運作時間

電池之間無論是容量還是 SoC 之間的失配都可能嚴重縮短電池組的可用容量,除非這些電池是平衡。要最大限度地提高電池組的容量,就要求在電池組充電和電池組放電時電池都是平衡。

 

在圖 2 所示的例子中,電池組由 10 顆電池串聯組成,每顆電池的容量均為100A-hr (標稱值),容量最小的電池與容量最大的電池之間的容量誤差為 ±10%,對該電池組充電或放電,直至達到預定的 SoC 限制為止。如果 SoC 值限制在 30% 至 70% 之間,而且沒有進行容量平衡,那麼在一個完整的充電 / 放電週期之後,相對於這些電池的理論可用容量,可用電池組容量降低了25%。在電池組充電階段,被動平衡從理論上可以讓每顆電池的 SoC 相同,但是在放電時,無法防止第 10 節電池在其他電池之前達到 30% 的 SoC 值。即使在電池組充電時採用被動平衡,在電池組放電時也會顯著“丟失”容量 (容量不可用)。只有主動平衡解決放案才能實現“容量恢復”,主動平衡解決方案在電池組放電時會從 SoC 值較高的電池向 SoC 值較低的電池重新分配電荷。

2:由於電池之間的失配而導致電池組容量損失的例子

圖 3 說明如何採用“理想的”主動平衡,使由於電池之間的失配而“丟失”的容量得到 100% 的恢復。在穩定狀態使用時,當電池組從 70% SoC 的“滿”再充電狀態放電時,實際上必須從第1 號電池 (容量最高的電池) 取出所存儲的電荷,將其轉移到第 10 號電池 (容量最低的電池),否則,第 10 號電池會在其他電池之前達到其 30% 的最低 SoC 點,而且電池組放電必須停止,以防止進一步縮短壽命。同樣地,在充電階段,電荷必須從第 10 號電池移走,並重新分配給第 1 號電池,否則第 10 號電池會率先達到其 70% 的 SoC 上限,而且充電週期必須停止。在電池組工作壽命期的某時點上,電池老化的差異將不可避免地導致電池之間的容量失配。只有主動平衡解決方案才能實現“容量恢復”,這種解決方案按照需要,從 SoC 值高的電池向 SoC 值低的電池重新分配電荷。要在電池組的壽命期內實現最大的電池組容量,就需要採用主動平衡解決方案,以高效率地為每顆電池充電和放電,在電池組各處保持 SoC 平衡。

3:用理想主動平衡實現容量恢復

高效率雙向平衡提供最強的容量恢復能力

LTC3300-1 (參見圖 4)是專為滿足高性能主動平衡的需求而設計。LTC3300-1 是一款高效率、雙向主動平衡控制 IC,是高性能 BMS的關鍵元件。每個 IC 都能同時平衡多達 6 節串聯連接的鋰離子 (Li-Ion) 或磷酸鐵鋰 (LiFePO4) 電池。

4LTC3300-1 高效率雙向多節電池主動平衡器

SoC 平衡透過在一節選定的電池和一個由多達 12 顆或更多節相鄰電池構成的子電池組之間重新分配電荷來實現。平衡決策和平衡演算法必須由單獨的監視元件以及控制 LTC3300-1 的系統處理器來應對。電荷從一個指定電池重新分配給由 12顆或更多相鄰電池組成的電池組,以為該電池放電。類似地,從 12顆或更多相鄰電池組成的電池組將電荷轉移給一個指定的電池,以給該電池充電。所有平衡器可能同時在任一方向上工作,以最大限度地縮短電池組的平衡時間。所有平衡控制命令都通過一個可疊置和雜訊裕度很大的串列 SPI 介面提供給每個 IC,對電池組的高度沒有限制。

 

LTC3300 中的每個平衡器都採用非隔離式、邊界模式同步反馳電源級,以實現對每一節電池的高效率充電和放電 (參見圖 5)。6 個平衡器中的每一個都需要自己的變壓器。每個變壓器的“主”端跨接在接受平衡的電池上,“副”端跨接在12 顆或更多相鄰的電池上,包括接受平衡的電池。副端上電池的數量僅受外部元件擊穿電壓的限制。在相對應的外部開關和變壓器調節範圍內,電池的充電和放電電流可由外部感測電阻設定為高達 10 安培以上的值。

5:雙向反馳式電源級的工作

通過主端和副端元件進行的排序和 IPEAK / IZERO 電流檢測取決於平衡器是否啟動以給電池充電或放電。高效率是透過同步工作以及元件的恰當選擇實現的。每個平衡器都是透過 BMS 的系統處理器啟動的,而且平衡器將保持啟動狀態,直至 BMS發出停止的命令或指示檢測到故障。

平衡器效率相當重要!

電池組面對的大敵之一是熱量。高環境溫度會快速縮短電池壽命並降低其性能。不幸的是,在大電流電池系統中,平衡電流也必須很高,以延長執行時間或實現電池組的快速充電。如果平衡器的效率不高,就會在電池系統內部導致不想要的熱量,而且這個問題必須透過減少能在給定時間運行的平衡器之數量來解決,或透過採用昂貴的降低熱量方法來應對。如圖 6 所示,LTC3300-1 在充電和放電方向實現了 >90% 的效率,與具備相同平衡器功耗、效率為 80% 的解決方案相比,其允許平衡電流提高一倍之多。此外,更高的平衡器效率允許更有效地重新分配電荷,這反過來又可產生更有效的容量恢復和更快速的充電。

6LTC3300-1 的電源級性能

局部電池負責完成大部分的平衡工作

整個電池組內的電荷轉移是透過使副端接線交錯 (如圖 7 所示) 來實現的。以這種方式進行交錯將允許電荷在任何一組電池 (6 節) 與一組相鄰電池之間來回轉移。請注意,相鄰的電池在電池組中既可以位於上方也可以位於下方。當最佳化某種平衡演算法時,這種彈性是有助益的。關於任何交錯式系統存在著一種常見的誤解:將電荷從一個非常高電池組的頂端重新分配至底端其效率一定是極低的,這是因為將電荷從電池組頂端移至底端需要進行大量的轉換。然而,如圖 7實例所示,大多數平衡只是透過在與那些需要電荷平衡之電池的最靠近電池之間的電荷重新分配來完成。含有 10 個或更多電池的副端電池組使得一個電荷不足的電池 (若不補充電荷則其將限制整個電池組工作時間) 簡單地透過運行個平衡器就能恢復其“丟失”容量的 90% 以上。因此,利用 LTC3300的交錯式架構將無需把電荷從電池組的頂端一路轉移至底端,大多數的平衡工作都是由相鄰的局部電池完成的。

7:交錯連接和電荷轉移性能

安全至上

除了提供卓越的電氣性能,LTC3300 雙向主動平衡器還提供眾多安全功能,以防止平衡時出現差錯,並保持最高的可靠性。資料完整性檢查 (對所有傳入和傳出的資料、看門狗計時器、和資料回讀等進行 CRC 校驗) 防止平衡器回應無意間發出或錯誤的命令。可程式設計伏-秒箝位確保在平衡時的電流檢測故障不會導致電流失控情況。逐顆電池的過壓和欠壓檢查以及副端過壓檢測,可防止在平衡時突然發生的電池線束故障而導致損壞電路。

總結

雖然諸如電動汽車和插電式混合動力汽車等新型應用的發展十分迅猛,但消費者對於長工作壽命及可靠運作的期待卻並未改變。對於汽車,不管採用電池還是汽油作為動力,人們都期望其在使用 5 年之後不會出現任何可察覺的性能劣化。就 EV 和 PHEV 而言,性能等同於以電池為動力時的可行駛距離。EV 和 PHEV 供應商不僅必須提供很高的電池性能,而且還要提供多年的品質保證,保證車輛具備合理的最低行駛距離以使自身擁有足夠的競爭力。隨著電動汽車數量的不斷攀升及使用年限的增加,電池組內部的不規則電池老化逐漸成為一個持續存在的問題,而且導致運作時間縮短的主要根源。串接式電池的工作時間始終受限於電池組中容量最低的那節電池。只是一顆弱電池會殃及整個電池組。對於汽車供應商來說,由於車輛行駛距離不足而依照品質保證條款為客戶更換或整修電池是一種成本非常昂貴的主張。為了避免承受如此高昂的代價,可以採用較大和較貴的電池,或者運用高性能的主動平衡器 (例如:LTC3300)以補償由於電池的不均勻老化而引起電池之間的容量失配問題。LTC3300 專為解決該難題而特別設計,其為設計人員提供了電池安全性和電荷平衡效率的新層次。當嚴重失配的電池組運用了 LTC3300後,其操作時間與一個具相同平均電池容量的完全匹配電池組幾乎相同。

 

【全文刊載於《CTIMES雜誌》2014年5月號】-- CTIMES粉絲團

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