作者：Sam Nork 和 Kevin Scott   | ADI 公司

在汽車(chē)和運輸市場(chǎng)，大型電池組可提供高輸出功率，但不會(huì )像汽油動(dòng)力內燃機那樣產(chǎn)生有害排放物 (即一氧化碳和碳氫化合物)。理想情況下，電池組中的每個(gè)電池對系統的貢獻相同。但是，當談到電池時(shí)，所有電池并不都是同等的。即使電池的化學(xué)成分、物理尺寸和形狀都相同，其總容量、內阻、自放電速率等也可能不同。此外，其老化速率可能不同，這又會(huì )在電池壽命方程式中增加一個(gè)變量。

電池組的性能受電池組中容量最低的電池單元限制；一旦最弱的電池單元耗盡，整個(gè)電池組便完全耗盡。電池組中每個(gè)電池單元的健康狀況根據其充電狀態(tài) (SoC) 測量結果 (即測量剩余電量與電池容量的比率) 來(lái)確定。SoC 利用電池測量 (如電壓、積分充電和放電電流、溫度等) 來(lái)確定電池中剩余的電量。精密單芯片和多芯片電池管理系統 (BMS) 將電池監控 (包括 SoC 測量) 與被動(dòng)或主動(dòng)電池均衡相結合，以提高電池組性能。這些測量產(chǎn)生如下結果：

X 與單電芯容量獨立的健康的電池電量狀態(tài)

X 電池單元間的充電狀態(tài)不匹配程度最小化

X 電池單元老化影響最小化 (老化導致容量損失)

對電池組而言，被動(dòng)和主動(dòng)電芯均衡有不同的優(yōu)勢，ADI 公司的電池管理產(chǎn)品組合為這兩種方法均提供了解決方案。我們先來(lái)看看被動(dòng)平衡均衡。

被動(dòng)均衡可讓所有電芯近乎具有相同容量

最初，電池組的電芯可能匹配得相當好。但隨著(zhù)時(shí)間推移，電芯匹配度會(huì )因充電/放電循環(huán)、高溫和一般老化而降低。弱電芯的充放電速度將快于強 (或較高容量) 電池單元，因此前者成為系統運行時(shí)間的限制因素。被動(dòng)均衡會(huì )讓電池組每個(gè)電芯的容量看起來(lái)與最弱電芯相同。它在充電周期中使用相對較低的電流，從高 SoC 電池消耗少量能量，使得所有電池單元充電至其最大 SoC。這是通過(guò)與每個(gè)電芯并聯(lián)的開(kāi)關(guān)和泄放電阻來(lái)實(shí)現的。

圖 1.帶泄放電阻的被動(dòng)電池均衡器

高 SoC 電池放電 (功率消耗在電阻中)，因此充電可以繼續，直至所有電芯都充滿(mǎn)電。

被動(dòng)均衡使得所有電池具有相同的 SoC，但它并未改善電池供電系統的運行時(shí)間。它提供了一種成本相當低的電池均衡方法，但由于放電電阻的存在，該過(guò)程中會(huì )浪費能量。被動(dòng)均衡還能校正不同電池單元間的自放電電流的長(cháng)期不匹配。

圖 2.采用外部被動(dòng)均衡的 LTC6804 應用電路

采用被動(dòng)均衡的多節電池監控器

ADI 公司推出了一系列含有被動(dòng)電池均衡能力的多節電池監控器。這些器件采用可堆疊架構，可以監控數百個(gè)電芯。每個(gè)器件可測量多達 12 個(gè)串聯(lián)連接的電芯，總測量誤差小于 1.2 mV。每電池單元 0 V 至 5 V 的測量范圍使其適用于大部分電池化學(xué)成分。LTC6804如圖 2 所示。

LTC6804 具有內部被動(dòng)均衡功能 (圖 3)；如果需要，它還可以配置外部 MOSFET(圖 4)。它還具有可選的可編程被動(dòng)均衡放電計時(shí)器，可為用戶(hù)提供更多的系統配置靈活性。

圖 3.帶內部放電開(kāi)關(guān)的被動(dòng)均衡

圖 4.帶外部放電開(kāi)關(guān)的被動(dòng)均衡

對于希望系統運行時(shí)間最大化和充電效率更高的客戶(hù)，主動(dòng)均衡是最佳選擇。在充電和放電期間，主動(dòng)電池均衡不會(huì )浪費能量，而是將能量重新分配給電池組中的其他電池單元。放電時(shí)，較強的電池單元會(huì )給較弱的電池單元補充能量，從而延長(cháng)電池單元達到其完全耗盡狀態(tài)的時(shí)間。有關(guān)主動(dòng)均衡的更多信息，請參閱技術(shù)文章“主動(dòng)電池單元均衡”。