电池单元主动均衡

Kevin Scott 和 Sam Nork ADI 公司

通过被动和主动电池均衡,电池组中的每个单元都得以被有效监控并保持健康的荷电状态 (SoC)。这样不仅可以增加电池循环工作次数,还能够提供额外的保护,防止电池单元由于过度充电/深度放电而产生损坏。被动均衡通过泄放电阻消耗多余的电荷,使所有电池单元都具有大致相当的 SoC,但是它并不能延长系统运行时间。

主动电池平衡是一种更复杂的平衡技术,由于在充电和放电循环期间,电池单元内的电荷得到重新分配,因此电池组中总的可用电荷也得到增加,从而延长了系统运行时间。与被动均衡相比,主动平衡能够缩短充电时间,并减少均衡时产生的热量。

主动电池均衡放电期间:

图 1 表示的是一个典型的处于满容量状态的电池组。在此示例中,满容量指的是充电量达到90%,因为长时间将电池保持在 (或接近) 100% 的容量位置会使其使用寿命下降得很快。而完全放电指的是放电至30%,这样可以防止电池进入深度放电状态。

图 1. 满容量。

随着时间的推移,一些电池的特性会变得比其他电池差,从而导致电池组放电特性如图 2 所示。

图 2. 不匹配放电。

可以看到,即使有些电池单元仍然残留了很大的能量,但弱电池单元限制了系统运行时间。5% 的电池容量不匹配将导致 5%的能量不能发挥作用。对于大容量电池而言,就意味着有大量的能量被浪费掉,这种情况对于远程系统和不易维护的系统显得尤为关键。有一部分能量未被使用,还会导致电池充电和放电循环次数增加,降低了电池寿命,并会因为电池频繁更换而产生更高的成本。

通过主动均衡,电荷从强电池单元重新分配到弱电池单元,可以将电池组中的能量完全耗尽。

图 3. 通过主动平衡完全耗尽能量。

主动电池均衡充电期间:

如果对电池组充电时不进行均衡,弱电池单元会比强电池单元先达到满容量。弱电池单元再一次成为限制因素;此时,它们限制了系统中可容纳的总能量。图 4 演示了充电时的这种
限制。

图 4. 不进行均衡时的充电。

主动均衡通过在充电期间对电荷进行再分配,能够使电池组达到满容量状态。需要注意的是,虽然本文没有讨论均衡所需的时间占比和均衡电流对时间的影响等因素,但它们仍需要被重点考虑。

图 5. 采用主动均衡的 12串电池组模块。

ADI 公司主动电池均衡控制器

ADI 公司拥有一系列主动电池均衡控制器,分别针对不同的系统要求。LT8584 是一款具有 2.5 A 放电电流的单片反激式变换器,与 LTC680x 系列多元化合物电池单元监测器配合使用;它可以将电荷从一个电池单元重新分配到整个电池组,也可以分配到电池组中的另一个电池单元或几个电池单元的组合。每个电池单元需要配备一颗LT8584。

LTC3300 是一款独立的双向反激式控制器,适用于锂电池和LiFePO4 电池,可提供高达 10 A 的均衡电流。由于控制是双向的,任意电池单元中的电荷都能高效率的与 12 节甚至更多串联电池单元进行来回传输。单个 LTC3300 最多可以均衡六个电池单元。

图 6. 高效双向均衡。

LTC3305 是一款独立的铅酸电池均衡控制器,可同时均衡多达四个电池单元。它通过不断的将第五个存储电池单元 (Aux),与其他每个电池单元 (一次一个) 并联最终达到均衡所有电池单元的目的 (铅酸电池很耐用,因此可以采取这个方式)。

图 7. 带有可编程电池高低压故障门限的四节电池均衡控制器。

结论

主动电池均衡和被动电池均衡通过监控和匹配每个电池单元的 SoC ,都能有效的促进电池系统健康。与被动电池均衡只在充电期间消耗多余电荷不同,主动电池平衡能够在充电和放电期间对电荷进行重新分配。因此,主动电池均衡能够延长系统运行时间,还能够提高充电效率。主动电池均衡需要的解决方案往往更复杂,尺寸也更大,而被动电池均衡则更具成本效益。无论哪种方式更符合您的应用需求,ADI 公司都能够提供相应的解决方案,并通过与我们的电池管理 IC (如 LTC6803 和LTC6804) 以及其他外围器件配合,为您提供精确、稳健的电池管理系统。

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