引言
隨著電池作為電源使用而日益受到歡迎,，又出現(xiàn)了一種同樣強(qiáng)勁的需求，即最大限度地延長電池的使用壽命,。電池不平衡 (即組成一個電池組的各節(jié)電池的充電狀態(tài)失配) 在大型鋰離子電池組中是個問題,，這個問題是由制造工藝,、工作條件和電池老化的差異造成的。不平衡可能降低電池組的總?cè)萘?，并有可能損壞電池組,。不平衡使電池從充電狀態(tài)到放電狀態(tài)都無法跟蹤，而且如果沒有密切監(jiān)視,，可能導(dǎo)致電池過度充電或過度放電，這將永久性地?fù)p壞電池,。電池制造商按照容量和內(nèi)部電阻對混合電動型汽車以及電動型汽車電池組中使用的電池進(jìn)行分類,，以在交付給客戶的特定批次中，減少電池之間的差異,。然后,，再仔細(xì)挑選電池來構(gòu)成汽車電池組，以改善電池組中每兩節(jié)電池之間的匹配,。理論上,，這應(yīng)該能防止電池組中產(chǎn)生大量的不平衡，但是盡管如此,，普遍的共識是,，當(dāng)構(gòu)成大型電池組時，既需要電池監(jiān)視,、又需要電池平衡,，以在電池組壽命期內(nèi)保持大的電池容量。
要理解平衡的重要性,，第一步是利用兩個相同的電池組來評估兩種基本的電池管理策略,。該測試將探究，在電池壽命期內(nèi),，電池組的總?cè)萘渴窃鯓邮艿接绊懙?。為了評估這兩種策略，要設(shè)計(jì)一個電池監(jiān)視系統(tǒng) (BMS),。該電池監(jiān)視系統(tǒng)由 3 個部分組成：監(jiān)視硬件,、平衡硬件和控制器。用在測試中的電池監(jiān)視系統(tǒng)能監(jiān)視電池電壓和電池負(fù)載電流,、平衡電池,，并能控制電池與負(fù)載及電池充電器的連接。
監(jiān)視硬件
一個簡單的電池監(jiān)視器和平衡系統(tǒng)如圖 1 所示,。該電池監(jiān)視系統(tǒng)的硬件是圍繞高度集成的 LTC6803-1 多節(jié)電池監(jiān)視 IC 設(shè)計(jì)的,。每個 LTC6803-1 能測量多達(dá) 12 節(jié)電池，并允許以可連接多個 IC 的串行菊花鏈形式連接,，從而使一個系統(tǒng)能通過一個串行端口監(jiān)視超過 100 個電池,。當(dāng)設(shè)計(jì)一個電池監(jiān)視系統(tǒng)時,，某些規(guī)范應(yīng)當(dāng)給以特殊考慮，首先是電池電壓準(zhǔn)確度,。當(dāng)試圖決定單個電池的充電狀態(tài)時,，電池電壓的準(zhǔn)確度至關(guān)重要，而且一節(jié)電池能否在接近工作極限的條件下工作,，電池電壓的準(zhǔn)確度是限制因素之一,。LTC6803 具 1.5mV 的分辨率，準(zhǔn)確度為 4.3mV,。這將允許該控制器就電池狀態(tài)做出準(zhǔn)確決策,，而不論使用的是什么樣的電池化學(xué)組成。其次,，電池組不平衡的一個主要來源是,，電池監(jiān)視電路本身的電源和備用電流的差異。在汽車應(yīng)用中,，備用電流尤其重要,，因?yàn)榇蠖鄶?shù)汽車在大部分時間里都是熄火的，這時電池監(jiān)視系統(tǒng)處于備用模式,。LTC6803 僅具 12uA 備用電流,，電流范圍規(guī)定為 6uA 至 18uA，從而可保證在一個大型電池組中,，最嚴(yán)重的不平衡為 12uA,，這使每月不平衡低于 10mAhr。有兩個 ADC 輸入可用來監(jiān)視電池溫度或其他的傳感器數(shù)據(jù),。圖 1 中顯示的設(shè)計(jì)用 Vtemp1 輸入測量電池電流,。電流用 LT1999 測量。LT1999 是一款高壓雙向電流檢測放大器,，具 -5V 至 80V 的輸入范圍,，而且在本文所述測試情況下，設(shè)置為監(jiān)視電池組高壓端的 ±10A,。LTC6803 上的兩個 GPIO 引腳用來控制一個有源負(fù)載和一個充電器,。當(dāng)充電結(jié)束或達(dá)到放電點(diǎn)時，這允許 LTC6803 斷開電池與充電器或負(fù)載的連接,。
圖 1：6 節(jié)電池監(jiān)視系統(tǒng)的簡化原理圖,。LTC6803 測量電池電壓并
控制外部電池放電晶體管。LT1999 測量至電池組的充電和放電電流,。
平衡硬件
利用跨電池組中每一節(jié)電池的旁路電阻器和開關(guān)實(shí)現(xiàn)無源平衡硬件,。平衡電阻器的使用一般采用兩種方式之一 (圖 2)。電阻器可用來導(dǎo)引充電電流繞過電池,，以便具較低充電狀態(tài) (SOC) 的電池能以較高的速率保持充電,，而不會使具有高 SOC 的電池有過充電和損壞的風(fēng)險(xiǎn),。該電阻器也可用來使具較高充電狀態(tài)的電池泄放過多的電荷，以使這些電池與具較低 SOC 的電池實(shí)現(xiàn)均衡,。
圖 2：無源電池平衡的兩種選擇,。電阻值決定主要功能
硬件設(shè)計(jì)的主要關(guān)注之處是確定合適的平衡電流，該電流由所用旁路電阻器的值設(shè)定,。所需的平衡電流大部分取決于電池的容量,、可允許的平衡時間、預(yù)期的不平衡程度以及電阻器將怎樣使用,。如果電阻器用來旁路充電器的電流,，那么它將設(shè)定為分流幾個安培的電流。如果平衡電阻器用來泄放過多的電荷,，那么該電阻器的大小要滿足所希望的平衡時間。無源平衡僅能糾正源自電池組加載的 SOC 不平衡,，而電池組加載則是由電池監(jiān)視電路,、電池本身放電以及內(nèi)部電阻效應(yīng)引起的。如果持續(xù)監(jiān)視,，那么這些 SOC 不平衡的來源每天應(yīng)該僅產(chǎn)生少量的不平衡,。用于這次實(shí)驗(yàn)室評估的電池監(jiān)視系統(tǒng)采用了一個 33Ω 的平衡電阻器，該電阻器設(shè)定大約 100mA 的平衡電流,，就小型電池而言,，這一平衡電流很大，但是這樣的平衡電流允許平衡操作用更短的時間來完成,。
控制策略
電池監(jiān)視系統(tǒng)硬件的控制程序設(shè)計(jì)為既監(jiān)視電池狀態(tài),，又管理電池不平衡。該系統(tǒng)的無源平衡功能可以接通或斷開,，以決定平衡對電池組的影響,。實(shí)驗(yàn)室測試在Turnigy公司制造的兩個相同的電池組上以及通過多個充電 / 放電周期進(jìn)行。為了比較方便,，僅監(jiān)視第一個電池組,，以確保每節(jié)電池的電壓都保持在正常工作范圍。第二個電池組既受到監(jiān)視,，又接受周期性無源平衡,。這個實(shí)驗(yàn)中使用的兩個電池組由 6 個串聯(lián)鋰離子聚合物電池組成，總?cè)萘繛?2.2AHr,。單個電池的最大終端電壓為 4.2V,，最小終端電壓為 3V。為了模擬實(shí)時使用情況并加速老化,，兩個電池組都在電池監(jiān)視系統(tǒng)的監(jiān)察下連續(xù)充電和放電,。放電周期采用固定的 2C 至 3C,、4.4A 至 6.6A 速率，同時電池以 1C 至 2C,、2.2A 至 4.4A 的恒定電流充電,。基本監(jiān)視系統(tǒng)設(shè)定為監(jiān)視單個電池電壓的欠壓和過壓情況以及任何過流故障,。在放電時,，電池組中任何電池達(dá)到 3.005V 的欠壓限制都會終止放電周期。在充電周期,，如果電池組中的任何電池達(dá)到了 4.19V 的過壓狀態(tài),，電池充電就終止。每個電池組都重復(fù)充電和放電 100 個周期,，以加速老化,。
無源平衡的目標(biāo)是調(diào)節(jié)電池組中所有電池的 SOC ，以便能夠從電池組中安全地抽取最多的能量,。無源平衡器不產(chǎn)生或向電池組提供電荷,，這意味著，電池組中容量最低的電池將決定電池組的有用容量,。為了最大限度地提高電池組的容量,，平衡器需要確保使容量和 SOC 較低的電池完全充電和放電。僅當(dāng)電池能完全充電和完全放電時,，該電池存儲的總能量才能使用,，這意味著最薄弱的電池應(yīng)該是最先完成充電和放電的電池。對無源平衡方法的主要擔(dān)心之處是,，能否識別具較高容量的電池,。電池的 SOC 體現(xiàn)在電池的開路電壓中，也是剩余能量的百分比指示器,。兩節(jié)電池有相同的 SOC ,，不意味著這兩節(jié)電池存儲了相同數(shù)量的能量，與容量較低的電池相比,，在給定 SOC 下,，容量較大的電池存儲的能量總是更多。
平衡軟件控制算法用來利用充電器協(xié)調(diào)平衡,，而且在充電周期開始時啟動,。既然無源平衡僅能從電池組去除能量，那么當(dāng)電池組放電時,，平衡就沒有意義了,。這也消除了使容量較低的電池和容量較高的電池 SOC 相等的可能性，這在放電時會降低可用容量。充電周期一啟動,，就將電池電壓存儲起來,，然后才連接充電器。在充電周期開始時,，平衡器應(yīng)該決定哪一節(jié)電池的電壓最低,，這節(jié)電池將被稱為 Clow。充電周期結(jié)束的標(biāo)志是,，某一節(jié)電池達(dá)到預(yù)定的最大電壓限制,，當(dāng)充電周期結(jié)束時，電池電壓再次存儲起來,。在兩種情況下,，電池電壓都是用無負(fù)載電流測量的，而且經(jīng)過了短期穩(wěn)定,。如果充電周期結(jié)束后,，所測得的 Clow 電壓不是最高電壓，那么就需要平衡,。充電周期之后 Clow 的電壓設(shè)為 Vbalance,。對于電池組中所測得的電壓高于 Vbalance 的電池，要啟動泄放電阻器,。平衡開關(guān)應(yīng)該保持接通，直到所有電池電壓都等于 Vbalance 電壓為止,。達(dá)到平衡以后,，電池恢復(fù)充電，以使電池完全充電,。為了觀察無源平衡的影響,，做了兩個測試，結(jié)果如下,。
測試結(jié)果：電池組 1
電池組 1 經(jīng)過了 100 個充電 / 放電周期,，圖 3 顯示若干周期后記錄 6 節(jié)電池的電壓。該圖顯示,，經(jīng)過短暫停頓后,，在一個完整的充電周期結(jié)束時所測得的電池電壓。充電后,，電池電壓之間的不平衡與容量和內(nèi)部電阻的小量變化有關(guān),。在第一個完整的周期中，測得的電池組容量為 2.072AHr,，經(jīng)過 100 個周期后,，所測得的容量為 2.043AHr，隨著周期數(shù)增加,，容量有少量下降,。還有一種趨勢,，即隨著充電 / 放電周期數(shù)的增加，充電后電池的最終電壓下降了,，100 個周期以后,，這種趨勢尤其顯著。這種趨勢最有可能是因?yàn)殡姵乩匣痣姵貎?nèi)部電阻的小量增加導(dǎo)致的,。內(nèi)部電阻增加使電池更快地達(dá)到充電結(jié)束門限,。盡管在工作時沒有平衡，這個電池組在 100 個周期中自始至終保持著同樣程度的不平衡,。能像這個電池組一樣,，每節(jié)電池自然而然相互匹配的電池組相當(dāng)罕見。
圖 3：充電周期之后電池組 1 中電池的電壓
測試結(jié)果：電池組 2
第二個電池組評估時采用了無源平衡算法,。在進(jìn)行任何平衡之前,，電池組經(jīng)過 10 次充電 / 放電。電池組 2 的初始電壓如圖 4 所示,。與電池組 1 不同 ,，制造商沒有對這些電池的 SOC 進(jìn)行很好的匹配。遇到這種類型失配的可能性要大得多,。電池組 2 需要平衡,，然后才能提供總的潛在容量。這種情況是更加典型的,。
圖 4：充電周期之后電池組 1 中電池的電壓
5 號電池與其余電池之間存在很大和高于 100mV 的不平衡,。這種不平衡對電池的容量有極大的影響。在一個完整的周期之后,，該電池組顯示所測得的容量為 1.765AHr,。經(jīng)過 10 個周期之后，不平衡依然存在,，平衡算法啟動,。平衡器給所有電池放電，以與 5 號電池匹配,，經(jīng)過一個完整的充電周期之后,，所記錄的 SOC 為 2.043AHr，與初始 SOC 相比有 16% 的改進(jìn),。平衡算法依然保持運(yùn)行,，但是在接下來的 50 個周期中，校正作用非常小,，50 個周期之后,，所測得的容量為 2.044AHr。
即使經(jīng)過大量平衡周期之后，該電池組仍然沒有利用全部可能使用的能量,。主要限制是,，該平衡算法沒有考慮電池內(nèi)部電阻這個因素。1 號電池有較高的內(nèi)部電阻,，總是在 5 號電池之前完成充電,，從而使 5 號電池?zé)o法完全充電。在 50 個周期后,，對平衡算法進(jìn)行修改,，以觀察電池組容量是否能得到改善。平衡算法修改為,，讓放電電阻器跨電池兩端連接,，同時如果任何電池的電壓高于 Clow，就連接充電器,。這允許比較薄弱的電池在充電器斷接之前獲得更多電荷,，也是圖 2 中提到的導(dǎo)引充電電流方法的一個例子。這種充電策略的改變使可用容量提高到了 2.051AHr,，并改善了平衡時間,。該電池組再充電和放電 50 次，即總共 100 個周期,，那么 100 個周期之后所測得的容量為 2.054AHr,。電池組 2 的容量在測試過程中一直保持恒定，且當(dāng)平衡策略改善后,，容量提高了,。即使最初某節(jié)電池與其他電池嚴(yán)重失配，這種改進(jìn)依然可以實(shí)現(xiàn),。
結(jié)論
如果電池組物理上很小，電池節(jié)數(shù)很少,，那么初始查驗(yàn)步驟就能保證在電池的壽命期內(nèi)使電池保持很好的匹配狀態(tài),。在小型電池組中，電池的負(fù)載和溫度條件一般是很好匹配的,。測試顯示,，少量不平衡將隨著充電 / 放電周期數(shù)的增加而增大，電池組 1 損失了 1.4% 的容量,。第二個電池組從一開始就顯示需要平衡硬件,，如果沒有平衡硬件，電池組的效用就完全由電池制造商決定了,，而且對電池組的誤差根本無法校正,。在有平衡系統(tǒng)的情況下，電池組 2 能夠在測試中自始至終保持其容量，而電池組 1 的容量則穩(wěn)步下降,?？傊谡麄€工作壽命期內(nèi),，平衡系統(tǒng)有助于擴(kuò)大電池組容量,。對平衡算法的改進(jìn)可能包括使用電池特征數(shù)據(jù)以及特定電池的建模。這允許控制器更準(zhǔn)確地確定電池組中各節(jié)電池的能量水平,，從而甚至當(dāng)使用相同的平衡電流時,，也能使控制器更準(zhǔn)確地平衡電池，并縮短平衡時間,。