目前，大多數電池管理系統 (BMS) 都包含被動(dòng)平衡功能，可定期將所有串聯(lián)電池單元調整至共同的 SOC 值。被動(dòng)平衡通過(guò)根據需要在每個(gè)電池單元上連接一個(gè)電阻來(lái)實(shí)現這一點(diǎn)，以耗散能量并降低電池單元的 SOC。
作為被動(dòng)平衡的替代方案，主動(dòng)平衡使用功率轉換在電池組的各個(gè)電池之間重新分配電荷。這可以實(shí)現更高的平衡電流、更低的發(fā)熱量、更快的平衡時(shí)間、更高的能效和更長(cháng)的運行距離。
本文介紹了一些常見(jiàn)的主動(dòng)平衡方法并解釋了這些方法的工作原理。
電池平衡
即使初匹配良好，電池組中的電池也會(huì )隨著(zhù)時(shí)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池可能會(huì )經(jīng)歷不同的溫度或壓力，從而影響容量。此外，微小的制造差異可能會(huì )隨著(zhù)時(shí)間的推移而放大，并造成容量差異。了解容量差異對于了解 SOC 不平衡的來(lái)源至關(guān)重要。
電池單元 SOC 的變化主要由電池容量和電池進(jìn)出電流決定。例如，4-Ahr 電池在 1 小時(shí)內接受 1 A 電流時(shí)，SOC 變化為 25%，而類(lèi)似的 2-Ahr 電池將經(jīng)歷 50% 的 SOC 變化。
保持 SOC 平衡需要根據每個(gè)電池的容量調整其充電/放電電流。并聯(lián)連接的電池會(huì )自動(dòng)執行此操作，因為電流會(huì )從高 SOC 電池流向低 SOC 電池。相比之下，串聯(lián)電池之間的電流相同，如果存在容量差異，則會(huì )產(chǎn)生不平衡。這一點(diǎn)很重要，因為大多數電池組都有串聯(lián)電池連接，即使它們也包括并聯(lián)連接。
SOC調整適用于被動(dòng)平衡和主動(dòng)平衡。
被動(dòng)平衡通過(guò)在各個(gè)電池上放置電阻負載（常用的是使用 BJT 或 MOSFET 晶體管）來(lái)降低電池 SOC。但主動(dòng)平衡采用開(kāi)關(guān)模式方法在電池組中的電池之間重新分配能量。
由于實(shí)施過(guò)程中增加了復雜性和成本，主動(dòng)平衡傳統上僅限于具有更高功率水平和/或大容量電池的電池系統，例如發(fā)電站的電池、商業(yè)儲能系統 (ESS)、家用儲能系統和電池備用裝置�，F在有新的解決方案，成本和復雜性顯著(zhù)降低，使越來(lái)越多的應用能夠利用主動(dòng)平衡的優(yōu)勢。
被動(dòng)平衡的電流通常限制為 0.25 A，而主動(dòng)平衡可支持高達 6 A。更高的平衡電流可實(shí)現更快的平衡，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，更高的平衡電流支持以快速周期運行的系統，在這些系統中必須快速完成平衡。
被動(dòng)平衡只會(huì )消耗能量；而主動(dòng)平衡則會(huì )重新分配能量，從而顯著(zhù)提高能源效率。被動(dòng)平衡僅在充電周期內實(shí)用，因為放電期間的操作會(huì )加速電池組的能量消耗。相反，主動(dòng)平衡可以在充電或放電期間實(shí)施。
放電期間主動(dòng)平衡的能力可提供更多的平衡時(shí)間，并允許電荷從強電池轉移到弱電池，從而延長(cháng)電池組的運行時(shí)間（圖 2）�？傊�，主動(dòng)平衡對于需要更快平衡、限制熱負荷、提高能源效率和增加系統運行時(shí)間的應用有利。
圖 2主動(dòng)平衡在充電和放電期間均衡 SOC。來(lái)源：Monolithic Power Systems
主動(dòng)平衡方法
常用的主動(dòng)平衡拓撲包括基于直接變壓器的、開(kāi)關(guān)矩陣加變壓器的、以及雙向降壓 - 升壓平衡。
基于變壓器的（雙向反激式）主動(dòng)平衡器
雙向反激式轉換器允許電荷雙向傳輸。雙向反激式轉換器設計為邊界模式反激式轉換器。電池組中的每個(gè)電池單元都需要一個(gè)雙向反激式轉換器，包括反激式變壓器（圖 3）。
圖 3基于變壓器的雙向有源平衡器可雙向傳輸電荷，并且可以使用 24V 電源軌。來(lái)源：Monolithic Power Systems
使用不同的變壓器設計時(shí)，有幾種可能的能量傳輸路徑。例如，能量可以從一個(gè)電池傳輸到電池組內的一組電池。能量可以從任何電池傳輸到電池組的頂部（連接到電池組端子），這需要大型高壓反激式變壓器。能量也可以傳輸到輔助電源軌或從輔助電源軌傳輸，例如圖 3 所示的 24 V 系統。
使用基于變壓器的主動(dòng)平衡方法時(shí)通常需要許多變壓器，這會(huì )導致高串數電池組的解決方案體積大、成本高。
開(kāi)關(guān)矩陣加變壓器有源平衡器
開(kāi)關(guān)矩陣加變壓器方法使用開(kāi)關(guān)陣列將變壓器連接到各個(gè)電池單元，從而將變壓器的數量減少到一個(gè)。在開(kāi)關(guān)矩陣中，有兩種類(lèi)型的開(kāi)關(guān)：電池單元開(kāi)關(guān)和極性開(kāi)關(guān)。
電池開(kāi)關(guān)是背對背 MOSFET，直接連接到電池單元。它們可以阻止沿充電和放電方向流動(dòng)的電流。相反，極性開(kāi)關(guān)僅阻止沿一個(gè)方向流動(dòng)的電流，并且它們直接連接到單個(gè)雙向反激式轉換器或雙向正向轉換器的次級側（圖 4）。
圖 4基于開(kāi)關(guān)矩陣的雙向 DC/DC 有源平衡器使用開(kāi)關(guān)陣列。來(lái)源：Monolithic Power Systems
雙向反激式轉換器或正向式轉換器的初級側連接到電池組或輔助電源軌。在這種布置中，每個(gè)電池都可以與電池組或輔助電源軌交換能量（充電或放電期間）。如上所述，開(kāi)關(guān)矩陣加變壓器的主要優(yōu)勢在于只需要一個(gè)變壓器。
雙向降壓-升壓主動(dòng)平衡器
降壓-升壓主動(dòng)平衡器采用更簡(jiǎn)單的方法，利用常用的降壓和升壓電池充電器技術(shù)。降壓-升壓主動(dòng)平衡不是將電荷移動(dòng)到電池組的各個(gè)位置或單獨的電源軌，而是將電荷移動(dòng)到直接相鄰的電池。這大大簡(jiǎn)化了平衡電路，并利用多個(gè)平衡器的同時(shí)操作將電荷分配到整個(gè)電池組中。
雙通道降壓-升壓平衡器通過(guò)在降壓平衡模式或升壓平衡模式下運行，可在兩個(gè)相鄰電池之間提供雙向電荷移動(dòng)。通過(guò)在每對電池上放置一個(gè)雙通道降壓-升壓平衡器，電荷可以在整個(gè)電池組中移動(dòng)（圖 5）。
圖 5雙向“降壓”和“升壓”有源平衡器將電荷移動(dòng)到直接相鄰的電池。來(lái)源：Monolithic Power Systems
與之前的兩種有源平衡器相比，雙通道降壓升壓有源平衡器遵循一個(gè)簡(jiǎn)單的流程：
在降壓平衡模式下，主動(dòng)平衡器將能量從上部電池（CU）傳輸至下部電池（CL）。
在升壓平衡模式下，主動(dòng)平衡器將能量從 CL 傳輸到 CU。
在三種類(lèi)型的主動(dòng)平衡器中，雙向降壓-升壓主動(dòng)平衡器簡(jiǎn)單、可靠。表 1比較了這三種主動(dòng)平衡方法。
表 1以上數據重點(diǎn)介紹了三種主動(dòng)平衡方法的功能。來(lái)源：Monolithic Power Systems
為什么主動(dòng)平衡更可行
隨著(zhù)人們對更安全、更節能、使用壽命更長(cháng)的鋰離子電池系統的需求不斷增長(cháng)，對更佳電池平衡的需求也日益增長(cháng)。被動(dòng)平衡僅限于消耗能量的小電流，已不足以滿(mǎn)足這些需求。
因此，主動(dòng)平衡解決方案因其高電流、快速電池平衡優(yōu)勢而得到越來(lái)越多人的采用。特別是雙向降壓-升壓主動(dòng)平衡器提供了簡(jiǎn)單性和可靠性。 |
