如何平衡多個串聯(lián)電池的充電

     鋰電池的穩(wěn)定性和安全性需要被謹慎對待。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)運行，其容量可能會降低。超出其 SOC 限制，電池就可能會損壞，導致不穩(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，必須謹慎設置其 SOC限制。

    為了最大限度地提高每個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)運行的同時，盡量減少電芯的退化。實際上，只需將電芯保持在受限的 SOC 范圍內(nèi)，不干預，即可避免電芯的退化，但其可用容量還是會隨著 SOC 的不匹配而逐漸減少。這是因為，當一個電芯達到 SOC 上限或下限時，充電或放電就必須停止，即使其他電芯還有剩余容量（見圖 1）。

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

    本文將介紹幾種常見的主動平衡方法，并提供其中一種方法的設計示例。

電芯平衡 

    即使最初匹配良好，電池組中的電芯也會隨著時間的推移而產(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間的推移放大，造成容量差異。了解容量差異對于了解 SOC失衡的來源非常重要。

 

    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 小時內(nèi)接收 1A 電流會導致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)每個電芯的容量調(diào)整其充電/放電電流。并聯(lián)連接的電芯會自動執(zhí)行此操作，因為電流會從高 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，就會造成不平衡。這一點很重要，因為大多數(shù)電池組都具有串聯(lián)電芯連接，當然也可能包含并聯(lián)連接。

        SOC調(diào)整同時適用于被動平衡和主動平衡。

        被動平衡通過在單個電芯上連接電阻負載（通常采用BJT 或 MOSFET 晶體管）來降低電芯SOC。主動平衡則采用開關模式在電池組中的電芯之間重新分配能量。由于增加了實施復雜性和成本，傳統(tǒng)的主動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)儲能系統(tǒng) (ESS)、家用儲能系統(tǒng)和電池備用裝置?，F(xiàn)有的新型解決方案成本和復雜性顯著降低，這讓越來越多的應用都能夠利用主動平衡的優(yōu)勢。

        被動平衡的電流通常限制為 0.25A，而主動平衡可高達 6A。更高平衡電流可實現(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)以快速周期運行，其中的平衡也必須快速完成。

        被動平衡只消耗能量；主動平衡則會重新分配能量，從而顯著提高能效。被動平衡僅在充電周期內(nèi)可行，因為放電期間的操作會加劇電池組的能量消耗。主動平衡則在充電或放電期間都可以進行，放電期間進行主動平衡可以有更多的平衡時間，并允許電荷從強電池轉移到弱電池，從而延長電池組的運行時間（見圖 2）?？傊?，對于需要更快平衡、有限熱負載、需要提高能效和增加系統(tǒng)運行時間的應用，主動平衡更加有利。

主動平衡方法

        常用的主動平衡拓撲包括直接變壓器式、開關矩陣加變壓器式和雙向升降壓平衡。

①基于變壓器（雙向反激式）的主動平衡器

雙向反激式變換器允許電荷雙向傳輸。雙向反激式通常設計為邊界模式反激式變換器。電池組中的每個電池單元都需要一個雙向反激式變換器，包括一個反激式變壓器（見圖 3）。

 

用不同的變壓器設計時，能量傳輸?shù)穆窂揭灿兴煌＠?，能量可以從一個電芯傳輸?shù)揭粋€電池組內(nèi)的另一個電芯子群；能量可以從任何一個電芯傳輸?shù)诫姵亟M的頂部（連接到電池組端子），此時會需要一個大型高壓反激變壓器；能量還可以傳輸?shù)健⒒騺碜砸粋€輔助電源軌，例如24V 系統(tǒng)（見圖 3）。

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

②開關矩陣+變壓器主動平衡器

        開關矩陣加變壓器方法利用開關陣列將變壓器連接到每個電芯，從而將變壓器數(shù)量減至一個。開關矩陣中有兩類開關：電芯開關和極性開關。電芯開關是直接連接到電池電芯的背對背 MOSFET，它們可以阻止沿充電和放電方向流動的電流。相反，極性開關僅阻止沿一個方向流動的電流，而且它們直接連接到單個雙向反激式變換器或雙向正激變換器的副邊（見圖 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。開關矩陣加變壓器方法的主要優(yōu)點是只需要一個變壓器。

③雙向升降壓主動平衡器

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

        雙通道升降壓平衡器通過降壓平衡模式或升壓平衡模式，在兩個相鄰電芯之間提供雙向電荷移動。通過在每對電芯上配置一個雙通道升降壓平衡器，電荷可以在整個電池組中移動（見圖 5）。

與前兩種主動平衡器相比，雙通道升降壓主動平衡器遵循了一個簡單的流程：

• 在降壓平衡模式下，主動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，主動平衡器將能量從 CL 傳輸?shù)?CU

        在三種類型的主動平衡器中，雙向升降壓主動平衡器最簡單，也最可靠。表 1 對這三種主動平衡方法進行了比較。

表 1：三種主動平衡方法的比較

設計示例

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

MP264x的配置非常簡單：

1. 設置降壓平衡電流（IUBC）。IUBC 可通過連接在 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 之間進行配置。IUBC 的計算公式 (1) 如下：

 $$I_{UBC}= \frac{640}{3 \times R_{UBC}}$$ 

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

 $$I_{LBC}= (\frac{V_{CUη} \times V_{CL}}{η \times V_{CL}}\times \frac {640}{3 \times R_{LBC}})$$ 

其中 VCL 為低電池電壓（CL 和 AGND 之間），VCU 是兩個串聯(lián)電芯的電壓（CU 和 AGND 之間）。VCL 和 VCU 均指未啟用平衡功能時測得的電壓。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（見表 2）。

 

表2: η的選擇

將多個 MP264x 器件組合在一起，可以將主動平衡功能擴展到任意數(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 MP264x 器件串聯(lián)在一起的 4 芯電池主動平衡功能示例。

總結

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