由串聯、高能量密度、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應用於純電動車(EV或BEV)、混合燃氣/電動車(HEV和插電式混合電動車或PHEV)以至於儲能系統(ESS)中。根據EVvolumes.com預測,電動車市場對於大規模串聯/並聯電池組的需求將越來越大。2016年全球PHEV銷量為77.5萬台,預計在2017年將成長至113萬台。

儘管對於高容量電池的需求日益成長,電池價格依然很高,而且是EV或PHEV中價格最高的元件,續航力達幾百公里的電池價格基本上都超過10,000美元。對付高成本的策略可以使用低成本/翻新的電池來減輕成本壓力,但隨之而來的問題是這類電池會有較大的容量不匹配問題,從而減少可使用時間,或導致一次充電後的行駛距離縮短。即使成本較高、品質更好的電池也會老化,而不斷的重複使用也會導致電池無法配合。

有兩種方式可以為不匹配的電池提高電池組的容量,其一是一開始就採用較大的電池,但這種做法非常不符合成本效益;第二種方式是主動平衡,這種新技術可以恢復電池組的電池容量,而且正日趨普及中。

串聯電池必須保持平衡

平衡的電池是指電池組中的每顆電池都具備相同的電荷狀態(state of charge;SoC)。SoC是指個別電池隨著充電和放電,相對於其最大容量的剩餘容量。例如: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,以避免受損或使用壽命縮短。根據應用的不同,可容許的SoC最小值和最大值也會不同。

在最重視電池續航時間的應用中,所有電池都可以在20%的SoC最小值和100%的最大值(充飽電狀態)之間工作。而要求最長電池壽命的應用則可能將SoC範圍限制在30%最小值和70%最大值之間。這些典型的SoC限制經常出現在電動車和電網儲存系統中,因為這些應用需要非常大型和昂貴的電池,且更換費用極高。電池管理系統(BMS)的主要作用就在於仔細監測電池組中的所有電池,確保每一顆電池的充電或放電都不超出該應用SoC限制的最小值和最大值。

採用串聯/並聯電池陣列時,並聯連接電池之間會相互自動平衡,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就會自動平衡電荷狀態。此外,還可放心地假設:串聯連接電池的SoC將由於某些原因,而隨著時間進展出現歧異。

由於在整個電池組出現溫度梯度現象,或者電池之間的阻抗、自放電速率或載入不同,SoC會逐步發生變化。儘管電池組的充電和放電電流可使得電池之間的這些變異顯得不那麼重要,但是累積起來的不匹配將會越來越大,除非對電池進行週期性的平衡。為了平衡串聯連接電池,最基本的原因就是補償各顆電池SoC的逐步變化。通常,在各顆電池嚴密匹配容量的電池組中,採用被動或耗散電荷平衡制,就足以使SoC重新達到平衡。

如圖1a所示,被動平衡十分簡單而且成本低廉,但其速度非常緩慢,而且會在電池組內部會產生多餘的熱。平衡則是透過降低所有電池中的剩餘容量,以便與電池組中SoC值最低的電池相匹配。由於另一種常見的容量不匹配,被動平衡也缺乏有效因應SoC誤差的能力。所有的電池都會隨著效能退化導致容量減少,而且電池容量減少的速率也往往是不同的。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低的電池決定。只有採用主動平衡方法(如圖1b和1c所示的方法),才能為整個電池組重新分配電荷,以及補償由於不同電池之間不匹配而損耗的容量。

20171225_ADI_TA31P1 圖1:典型的電池平衡拓撲

電池間不匹配導致續航時間大幅縮短

電池之間無論是容量還是SoC不匹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。為了最大限度地提高電池組的容量,就必須在電池組的充電和放電期間讓電池維持平衡。

在圖2所示的例子中,電池組由10顆電池串聯組成,每顆電池的容量為100A-hr(標準值),容量最小與最大的電池之間容量誤差為±10%,對該電池組充電與放電,直至達到預定的SoC限制。如果SoC值限制在30%至70%之間,而且未能進行容量平衡,那麼在相對於這些電池的理論可用容量下進行一次完整的充電/放電週期後,可用的電池組容量降低了25%。

在電池組充電階段,被動平衡理論上可以讓每顆電池的SoC相同,但在放電時,卻無法避免第10號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,電池組的放電期間也會明顯損失容量(容量不可用)。只有主動平衡解決放案才能實現容量恢復,其方式是在電池組放電時從較高SoC值向低SoC值的電池重新分配電荷。

20171225_ADI_TA31P2 圖2:由於電池之間不匹配而導致電池組容量耗損的例子

圖3說明如何採用理想的主動平衡,讓由於電池之間不匹配而耗損的容量實現100%的復原。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)取出所儲存的電荷,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,而且必須停止電池組放電,以避免進一步縮短壽命。

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號電池會首先達到其70%的SoC上限,而且充電週期必須停止。在電池組工作壽命期間的某個時間點,電池老化的差異將不可避免地會導致電池之間的容量不匹配。只有主動平衡解決方案才能實現容量復原,這種解決方案會依照需求從SoC值高的電池為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,才能有效率地為每顆電池充電和放電,以便為整個電池組保持SoC平衡。

20171225_ADI_TA31P3 圖3:運用理想的主動平衡恢復電池容量

高效率雙向平衡提供最高容量恢復能力

例如,圖4的ADI LTC3300-2是一款專門為滿足高性能主動平衡需求而設計的高效率、雙向主動平衡控制IC,可作為高性能BMS的關鍵元件。每個IC都能同時平衡多達6個串聯連接的鋰離子或磷酸鐵鋰(LiFePO4)電池。

20171225_ADI_TA31P4 圖4:高效率的雙向多電池主動平衡器

為了實現SoC平衡,可以在一個選定的電池和一個由多達12顆或更多相鄰電池構成的子電池組之間重新分配電荷。平衡的決策和平衡演算法必須由單獨的監測元件與控制LTC3300-2的系統處理器來處理。電荷從一個指定電池重新分配至由12顆或更多相鄰電池組成的電池組,從而為該電池放電。同樣地,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,可為該電池充電。所有的平衡器可能同時在任一方向上作業,以便讓電池組的平衡時間縮至最短。

該平衡控制IC LTC3300-2具有一個相容SPI匯流排的序列埠。元件可使用數位隔離器並聯進行連接。多個元件由A0至A4接腳確定的元件位址單獨標識。在LTC3300-2上,四個針腳組成序列介面:CSBI、SCKI、SDI和SDO。SDO和SDI接腳可依需求連接在一起,以形成單個雙向埠。元件位址由五個位址接腳(A0至A4)進行設定。所有的串列通訊相關接腳都是電壓模式,參考電壓為VREG和V電源。

LTC3300-2中的每個平衡器都採用非隔離的邊界模式同步返馳電源級,以實現對每一顆電池的高效率充電和放電。6個平衡器中的每一個都需要自己的變壓器。每個變壓器的初級側跨接在接受平衡的電池上,次級側則跨接在12顆或更多相鄰電池上,包括接受平衡的電池。次級側上電池的數量僅受到外部元件擊穿電壓的限制。在相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(A)以上。透過同步操作以及恰當的元件選擇,可實現高效率。每個平衡器都是透過BMS系統處理器啟動的,而且平衡器將保持啟動狀態,直到BMS發出停止命令或偵測到故障。

平衡器效率至關重要

電池組面對的大敵之一是熱量。環境溫度高會使電池壽命快速退化,並降低其性能。遺憾的是,在大電流的電池系統中,平衡電流也必須很高,才能延長電池的續航力或實現快速充電。如果平衡器的效率不彰,就會在電池系統內部導致多餘的熱,而這個問題必須透過減少能在指定時間內運行的平衡器數量或是採用昂貴的降低熱量方法加以解決。如圖5所示,LTC3300-2在充電和放電時實現了>90%的效率,相較於具備相同平衡器功耗且效率為80%的解決方案,它能讓平衡電流提高一倍多。此外,更高的平衡器效率能更有效地重新分配電荷,這反過來又能產生更有效的容量恢復和更快速的充電。

20171225_ADI_TA31P5 圖5:LTC3300-2的電源級性能

結論

雖然諸如電動車和PHEV等新型應用的發展十分迅速,但消費者對於更長工作壽命與可靠運作的期待卻並未改變。對於汽車,無論採用電池還是汽油作為動力,人們都期望在使用5年以後不至於出現任何可察覺的性能退化。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,而且還提供多年的保固期,確保車輛具有合理的最低行駛距離,仍能擁有足夠的競爭力。

隨著電動車的數量持續攀升以及使用年限增加,電池組不規律地出現電池老化逐漸成為一個持續存在的問題,而且成為續航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顆電池。或許只是一顆電池衰弱就會殃及整個電池組。

對於汽車供應商而言,由於車輛行駛距離不足而依照保固條款為客戶更換或修復電池的成本非常昂貴。為了避免承受如此高昂的代價,可以採用較大且較貴的電池,或者運用高性能的主動平衡器(例如LTC3300-2),以補償由於電池不均勻老化而引起電池之間容量不匹配的問題。例如,一個嚴重不匹配的電池組在利用LTC3300-2後,其續航時間與一個具相同平均電池容量的完美匹配電池組幾乎相同。