電池單元主動均衡
2021-01-16 電機控制設計加油站Kevin Scott 和 Sam Nork ADI 公司
通過被動和主動電池均衡，電池組中的每個單元都得以被有效監控並保持健康的荷電狀態 (SoC)。這樣不僅可以增加電池循環工作次數，還能夠提供額外的保護，防止電池單元由於過度充電/深度放電而產生損壞。被動均衡通過洩放電阻消耗多餘的電荷，使所有電池單元都具有大致相當的 SoC，但是它並不能延長系統運行時間。
主動電池平衡是一種更複雜的平衡技術，由於在充電和放電循環期間，電池單元內的電荷得到重新分配，因此電池組中總的可用電荷也得到增加，從而延長了系統運行時間。與被動均衡相比，主動平衡能夠縮短充電時間，並減少均衡時產生的熱量。
主動電池均衡放電期間：
圖 1 表示的是一個典型的處於滿容量狀態的電池組。在此示例中，滿容量指的是充電量達到90%，因為長時間將電池保持在 (或接近) 100% 的容量位置會使其使用壽命下降得很快。而完全放電指的是放電至30%，這樣可以防止電池進入深度放電狀態。
圖 1. 滿容量。隨著時間的推移，一些電池的特性會變得比其他電池差，從而導致電池組放電特性如圖 2 所示。
圖 2. 不匹配放電。可以看到，即使有些電池單元仍然殘留了很大的能量，但弱電池單元限制了系統運行時間。5% 的電池容量不匹配將導致 5%的能量不能發揮作用。對於大容量電池而言，就意味著有大量的能量被浪費掉，這種情況對於遠程系統和不易維護的系統顯得尤為關鍵。有一部分能量未被使用，還會導致電池充電和放電循環次數增加，降低了電池壽命，並會因為電池頻繁更換而產生更高的成本。
通過主動均衡，電荷從強電池單元重新分配到弱電池單元，可以將電池組中的能量完全耗盡。
圖 3. 通過主動平衡完全耗盡能量。主動電池均衡充電期間：
如果對電池組充電時不進行均衡，弱電池單元會比強電池單元先達到滿容量。弱電池單元再一次成為限制因素；此時，它們限制了系統中可容納的總能量。圖 4 演示了充電時的這種
限制。
主動均衡通過在充電期間對電荷進行再分配，能夠使電池組達到滿容量狀態。需要注意的是，雖然本文沒有討論均衡所需的時間佔比和均衡電流對時間的影響等因素，但它們仍需要被重點考慮。
ADI 公司主動電池均衡控制器
ADI 公司擁有一系列主動電池均衡控制器，分別針對不同的系統要求。LT8584 是一款具有 2.5 A 放電電流的單片反激式變換器，與 LTC680x 系列多元化合物電池單元監測器配合使用；它可以將電荷從一個電池單元重新分配到整個電池組，也可以分配到電池組中的另一個電池單元或幾個電池單元的組合。每個電池單元需要配備一顆LT8584。
LTC3300 是一款獨立的雙向反激式控制器，適用於鋰電池和LiFePO4 電池，可提供高達 10 A 的均衡電流。由於控制是雙向的，任意電池單元中的電荷都能高效率的與 12 節甚至更多串聯電池單元進行來回傳輸。單個 LTC3300 最多可以均衡六個電池單元。
LTC3305 是一款獨立的鉛酸電池均衡控制器，可同時均衡多達四個電池單元。它通過不斷的將第五個存儲電池單元 (Aux)，與其他每個電池單元 (一次一個) 並聯最終達到均衡所有電池單元的目的 (鉛酸電池很耐用，因此可以採取這個方式)。
圖 7. 帶有可編程電池高低壓故障門限的四節電池均衡控制器。結論
主動電池均衡和被動電池均衡通過監控和匹配每個電池單元的 SoC ，都能有效的促進電池系統健康。與被動電池均衡只在充電期間消耗多餘電荷不同，主動電池平衡能夠在充電和放電期間對電荷進行重新分配。因此，主動電池均衡能夠延長系統運行時間，還能夠提高充電效率。主動電池均衡需要的解決方案往往更複雜，尺寸也更大，而被動電池均衡則更具成本效益。無論哪種方式更符合您的應用需求，ADI 公司都能夠提供相應的解決方案，並通過與我們的電池管理 IC (如 LTC6803 和LTC6804) 以及其他外圍器件配合，為您提供精確、穩健的電池管理系統。
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