中心議題：

• 詳解動力電池組均衡設計原理及意義

解決方案：

• 利用兩個相同的電池組來評估兩種基本的電池管理策略
• 對硬件進行設計

• 設計一個電池監視係統 (BMS)

引言

隨著電池作為電源使用而日益受到歡迎，又出現了一種同樣強勁的需求，即最大限度地延長電池的使用壽命。電池不平衡 (即組成一個電池組的各節電池的充電狀態失配) 在大型鋰離子電池組中是個問題，這個問題是由製造工藝、工gong作zuo條tiao件jian和he電dian池chi老lao化hua的de差cha異yi造zao成cheng的de。不bu平ping衡heng可ke能neng降jiang低di電dian池chi組zu的de總zong容rong量liang
，並bing有you可ke能neng損sun壞huai電dian池chi組zu。不bu平ping衡heng使shi電dian池chi從cong充chong電dian狀zhuang態tai到dao放fang電dian狀zhuang態tai都dou無wu法fa跟gen蹤zong，而er且qie如ru果guo沒mei有you密mi切qie監jian視shi，可ke能neng導dao致zhi電dian池chi過guo度du充chong電dian或huo過guo度du放fang電dian，這zhe將jiang永yong久jiu性xing地di損sun壞huai電dian池chi。電dian池chi製zhi造zao商shang按an照zhao容rong量liang和he內nei部bu電dian阻zu對dui混hun合he電dian動dong型xing汽qi車che以yi及ji電dian動dong型xing汽qi車che電dian池chi組zu中zhong使shi用yong的de電dian池chi進jin行xing分fen類lei，以yi在zai交jiao付fu給gei客ke戶hu的de特te定ding批pi次ci中zhong，減jian少shao電dian池chi之zhi間jian的de差cha異yi。然ran後hou，再zai仔zai細xi挑tiao選xuan電dian池chi來lai構gou成cheng汽qi車che電dian池chi組zu，以yi改gai善shan電dian池chi組zu中zhong每mei兩liang節jie電dian池chi之zhi間jian的de匹pi配pei。理li論lun上shang
，這zhe應ying該gai能neng防fang止zhi電dian池chi組zu中zhong產chan生sheng大da量liang的de不bu平ping衡heng，但dan是shi盡jin管guan如ru此ci，普pu遍bian的de共gong識shi是shi
，當dang構gou成cheng大da型xing電dian池chi組zu時shi
，既ji需xu要yao電dian池chi監jian視shi、又需要電池平衡，以在電池組壽命期內保持大的電池容量。

要yao理li解jie平ping衡heng的de重zhong要yao性xing
，第di一yi步bu是shi利li用yong兩liang個ge相xiang同tong的de電dian池chi組zu來lai評ping估gu兩liang種zhong基ji本ben的de電dian池chi管guan理li策ce略lve。該gai測ce試shi將jiang探tan究jiu，在zai電dian池chi壽shou命ming期qi內nei，電dian池chi組zu的de總zong容rong量liang是shi怎zen樣yang受shou到dao影ying響xiang的de。為wei了le評ping估gu這zhe兩liang種zhong策ce略lve
，要yao設she計ji一yi個ge電dian池chi監jian視shi係xi統tong (BMS)。該電池監視係統由 3 個部分組成：監視硬件、平衡硬件和控製器。用在測試中的電池監視係統能監視電池電壓和電池負載電流、平衡電池，並能控製電池與負載及電池充電器的連接。

監視硬件

一個簡單的電池監視器和平衡係統如圖 1 所示。該電池監視係統的硬件是圍繞高度集成的 LTC6803-1 多節電池監視 IC 設計的。每個 LTC6803-1 能測量多達 12 節電池

，並允許以可連接多個 IC 的串行菊花鏈形式連接
，從而使一個係統能通過一個串行端口監視超過 100 個ge電dian池chi。當dang設she計ji一yi個ge電dian池chi監jian視shi係xi統tong時shi
，某mou些xie規gui範fan應ying當dang給gei以yi特te殊shu考kao慮lv

，首shou先xian是shi電dian池chi電dian壓ya準zhun確que度du。當dang試shi圖tu決jue定ding單dan個ge電dian池chi的de充chong電dian狀zhuang態tai時shi，電dian池chi電dian壓ya的de準zhun確que度du至zhi關guan重zhong要yao
，而er且qie一yi節jie電dian池chi能neng否fou在zai接jie近jin工gong作zuo極ji限xian的de條tiao件jian下xia工gong作zuo，電dian池chi電dian壓ya的de準zhun確que度du是shi限xian製zhi因yin素su之zhi一yi。LTC6803 具 1.5mV 的分辨率

，準確度為 4.3mV。這(zhe)將(jiang)允(yun)許(xu)該(gai)控(kong)製(zhi)器(qi)就(jiu)電(dian)池(chi)狀(zhuang)態(tai)做(zuo)出(chu)準(zhun)確(que)決(jue)策(ce)，而(er)不(bu)論(lun)使(shi)用(yong)的(de)是(shi)什(shen)麼(me)樣(yang)的(de)電(dian)池(chi)化(hua)學(xue)組(zu)成(cheng)。其(qi)次(ci)，電(dian)池(chi)組(zu)不(bu)平(ping)衡(heng)的(de)一(yi)個(ge)主(zhu)要(yao)來(lai)源(yuan)是(shi)
，電(dian)池(chi)監(jian)視(shi)電(dian)路(lu)本(ben)身(shen)的(de)電(dian)源(yuan)和(he)備(bei)用(yong)電(dian)流(liu)的(de)差(cha)異(yi)。在(zai)汽(qi)車(che)應(ying)用(yong)中(zhong)，備(bei)用(yong)電(dian)流(liu)尤(you)其(qi)重(zhong)要(yao)，因(yin)為(wei)大(da)多(duo)數(shu)汽(qi)車(che)在(zai)大(da)部(bu)分(fen)時(shi)間(jian)裏(li)都(dou)是(shi)熄(xi)火(huo)的(de)
，這(zhe)時(shi)電(dian)池(chi)監(jian)視(shi)係(xi)統(tong)處(chu)於(yu)備(bei)用(yong)模(mo)式(shi)。LTC6803 僅具 12uA 備用電流，電流範圍規定為 6uA 至 18uA
，從而可保證在一個大型電池組中，最嚴重的不平衡為 12uA，這使每月不平衡低於 10mAhr。有兩個 ADC 輸入可用來監視電池溫度或其他的傳感器數據。圖 1 中顯示的設計用 Vtemp1 輸入測量電池電流。電流用 LT1999 測量。LT1999 是一款高壓雙向電流檢測放大器，具 -5V 至 80V 的輸入範圍，而且在本文所述測試情況下，設置為監視電池組高壓端的 ±10A。LTC6803 上的兩個 GPIO 引腳用來控製一個有源負載和一個充電器。當充電結束或達到放電點時，這允許 LTC6803 斷開電池與充電器或負載的連接。 [page]
平衡硬件

利用跨電池組中每一節電池的旁路電阻器和開關實現無源平衡硬件。平衡電阻器的使用一般采用兩種方式之一 (圖 2)。電阻器可用來導引充電電流繞過電池

，以便具較低充電狀態 (SOC) 的電池能以較高的速率保持充電
，而不會使具有高 SOC 的電池有過充電和損壞的風險。該電阻器也可用來使具較高充電狀態的電池泄放過多的電荷
，以使這些電池與具較低 SOC 的電池實現均衡。
硬件設計的主要關注之處是確定合適的平衡電流，該電流由所用旁路電阻器的值設定。所需的平衡電流大部分取決於電池的容量、可允許的平衡時間、預yu期qi的de不bu平ping衡heng程cheng度du以yi及ji電dian阻zu器qi將jiang怎zen樣yang使shi用yong。如ru果guo電dian阻zu器qi用yong來lai旁pang路lu充chong電dian器qi的de電dian流liu
，那na麼me它ta將jiang設she定ding為wei分fen流liu幾ji個ge安an培pei的de電dian流liu。如ru果guo平ping衡heng電dian阻zu器qi用yong來lai泄xie放fang過guo多duo的de電dian荷he，那na麼me該gai電dian阻zu器qi的de大da小xiao要yao滿man足zu所suo希xi望wang的de平ping衡heng時shi間jian。無wu源yuan平ping衡heng僅jin能neng糾jiu正zheng源yuan自zi電dian池chi組zu加jia載zai的de SOC 不平衡，而電池組加載則是由電池監視電路、電池本身放電以及內部電阻效應引起的。如果持續監視
，那麼這些 SOC 不平衡的來源每天應該僅產生少量的不平衡。用於這次實驗室評估的電池監視係統采用了一個 33Ω 的平衡電阻器，該電阻器設定大約 100mA 的平衡電流，就小型電池而言
，這一平衡電流很大，但是這樣的平衡電流允許平衡操作用更短的時間來完成。

控製策略

電(dian)池(chi)監(jian)視(shi)係(xi)統(tong)硬(ying)件(jian)的(de)控(kong)製(zhi)程(cheng)序(xu)設(she)計(ji)為(wei)既(ji)監(jian)視(shi)電(dian)池(chi)狀(zhuang)態(tai)，又(you)管(guan)理(li)電(dian)池(chi)不(bu)平(ping)衡(heng)。該(gai)係(xi)統(tong)的(de)無(wu)源(yuan)平(ping)衡(heng)功(gong)能(neng)可(ke)以(yi)接(jie)通(tong)或(huo)斷(duan)開(kai)，以(yi)決(jue)定(ding)平(ping)衡(heng)對(dui)電(dian)池(chi)組(zu)的(de)影(ying)響(xiang)。實(shi)驗(yan)室(shi)測(ce)試(shi)在(zai)Turnigy公司製造的兩個相同的電池組上以及通過多個充電 / 放(fang)電(dian)周(zhou)期(qi)進(jin)行(xing)。為(wei)了(le)比(bi)較(jiao)方(fang)便(bian)，僅(jin)監(jian)視(shi)第(di)一(yi)個(ge)電(dian)池(chi)組(zu)，以(yi)確(que)保(bao)每(mei)節(jie)電(dian)池(chi)的(de)電(dian)壓(ya)都(dou)保(bao)持(chi)在(zai)正(zheng)常(chang)工(gong)作(zuo)範(fan)圍(wei)。第(di)二(er)個(ge)電(dian)池(chi)組(zu)既(ji)受(shou)到(dao)監(jian)視(shi)
，又(you)接(jie)受(shou)周(zhou)期(qi)性(xing)無(wu)源(yuan)平(ping)衡(heng)。這(zhe)個(ge)實(shi)驗(yan)中(zhong)使(shi)用(yong)的(de)兩(liang)個(ge)電(dian)池(chi)組(zu)由(you) 6 個串聯鋰離子聚合物電池組成，總容量為 2.2AHr。單個電池的最大終端電壓為 4.2V，最小終端電壓為 3V。為了模擬實時使用情況並加速老化
，兩個電池組都在電池監視係統的監察下連續充電和放電。放電周期采用固定的 2C 至 3C、4.4A 至 6.6A 速率，同時電池以 1C 至 2C、2.2A 至 4.4A 的恒定電流充電。基本監視係統設定為監視單個電池電壓的欠壓和過壓情況以及任何過流故障。在放電時
，電池組中任何電池達到 3.005V 的欠壓限製都會終止放電周期。在充電周期，如果電池組中的任何電池達到了 4.19V 的過壓狀態，電池充電就終止。每個電池組都重複充電和放電 100 個周期
，以加速老化。

無源平衡的目標是調節電池組中所有電池的 SOC ，以yi便bian能neng夠gou從cong電dian池chi組zu中zhong安an全quan地di抽chou取qu最zui多duo的de能neng量liang。無wu源yuan平ping衡heng器qi不bu產chan生sheng或huo向xiang電dian池chi組zu提ti供gong電dian荷he，這zhe意yi味wei著zhe

，電dian池chi組zu中zhong容rong量liang最zui低di的de電dian池chi將jiang決jue定ding電dian池chi組zu的de有you用yong容rong量liang。為wei了le最zui大da限xian度du地di提ti高gao電dian池chi組zu的de容rong量liang
，平ping衡heng器qi需xu要yao確que保bao使shi容rong量liang和he SOC 較(jiao)低(di)的(de)電(dian)池(chi)完(wan)全(quan)充(chong)電(dian)和(he)放(fang)電(dian)。僅(jin)當(dang)電(dian)池(chi)能(neng)完(wan)全(quan)充(chong)電(dian)和(he)完(wan)全(quan)放(fang)電(dian)時(shi)，該(gai)電(dian)池(chi)存(cun)儲(chu)的(de)總(zong)能(neng)量(liang)才(cai)能(neng)使(shi)用(yong)，這(zhe)意(yi)味(wei)著(zhe)最(zui)薄(bo)弱(ruo)的(de)電(dian)池(chi)應(ying)該(gai)是(shi)最(zui)先(xian)完(wan)成(cheng)充(chong)電(dian)和(he)放(fang)電(dian)的(de)電(dian)池(chi)。對(dui)無(wu)源(yuan)平(ping)衡(heng)方(fang)法(fa)的(de)主(zhu)要(yao)擔(dan)心(xin)之(zhi)處(chu)是(shi)，能(neng)否(fou)識(shi)別(bie)具(ju)較(jiao)高(gao)容(rong)量(liang)的(de)電(dian)池(chi)。電(dian)池(chi)的(de) SOC 體現在電池的開路電壓中，也是剩餘能量的百分比指示器。兩節電池有相同的 SOC ，不意味著這兩節電池存儲了相同數量的能量，與容量較低的電池相比

，在給定 SOC 下，容量較大的電池存儲的能量總是更多。

平ping衡heng軟ruan件jian控kong製zhi算suan法fa用yong來lai利li用yong充chong電dian器qi協xie調tiao平ping衡heng，而er且qie在zai充chong電dian周zhou期qi開kai始shi時shi啟qi動dong。既ji然ran無wu源yuan平ping衡heng僅jin能neng從cong電dian池chi組zu去qu除chu能neng量liang
，那na麼me當dang電dian池chi組zu放fang電dian時shi，平ping衡heng就jiu沒mei有you意yi義yi了le。這zhe也ye消xiao除chu了le使shi容rong量liang較jiao低di的de電dian池chi和he容rong量liang較jiao高gao的de電dian池chi SOC 相xiang等deng的de可ke能neng性xing，這zhe在zai放fang電dian時shi會hui降jiang低di可ke用yong容rong量liang。充chong電dian周zhou期qi一yi啟qi動dong
，就jiu將jiang電dian池chi電dian壓ya存cun儲chu起qi來lai
，然ran後hou才cai連lian接jie充chong電dian器qi。在zai充chong電dian周zhou期qi開kai始shi時shi，平ping衡heng器qi應ying該gai決jue定ding哪na一yi節jie電dian池chi的de電dian壓ya最zui低di

，這zhe節jie電dian池chi將jiang被bei稱cheng為wei Clow。充chong電dian周zhou期qi結jie束shu的de標biao誌zhi是shi，某mou一yi節jie電dian池chi達da到dao預yu定ding的de最zui大da電dian壓ya限xian製zhi，當dang充chong電dian周zhou期qi結jie束shu時shi，電dian池chi電dian壓ya再zai次ci存cun儲chu起qi來lai。在zai兩liang種zhong情qing況kuang下xia
，電dian池chi電dian壓ya都dou是shi用yong無wu負fu載zai電dian流liu測ce量liang的de
，而er且qie經jing過guo了le短duan期qi穩wen定ding。如ru果guo充chong電dian周zhou期qi結jie束shu後hou，所suo測ce得de的de Clow 電壓不是最高電壓，那麼就需要平衡。充電周期之後 Clow 的電壓設為 Vbalance。對於電池組中所測得的電壓高於 Vbalance 的電池
，要啟動泄放電阻器。平衡開關應該保持接通，直到所有電池電壓都等於 Vbalance 電壓為止。達到平衡以後，電池恢複充電，以使電池完全充電。為了觀察無源平衡的影響

，做了兩個測試，結果如下。

測試結果：電池組 1

電池組 1 經過了 100 個充電 / 放電周期，圖 3 顯示若幹周期後記錄 6 節(jie)電(dian)池(chi)的(de)電(dian)壓(ya)。該(gai)圖(tu)顯(xian)示(shi)，經(jing)過(guo)短(duan)暫(zan)停(ting)頓(dun)後(hou)
，在(zai)一(yi)個(ge)完(wan)整(zheng)的(de)充(chong)電(dian)周(zhou)期(qi)結(jie)束(shu)時(shi)所(suo)測(ce)得(de)的(de)電(dian)池(chi)電(dian)壓(ya)。充(chong)電(dian)後(hou)

，電(dian)池(chi)電(dian)壓(ya)之(zhi)間(jian)的(de)不(bu)平(ping)衡(heng)與(yu)容(rong)量(liang)和(he)內(nei)部(bu)電(dian)阻(zu)的(de)小(xiao)量(liang)變(bian)化(hua)有(you)關(guan)。在(zai)第(di)一(yi)個(ge)完(wan)整(zheng)的(de)周(zhou)期(qi)中(zhong)，測(ce)得(de)的(de)電(dian)池(chi)組(zu)容(rong)量(liang)為(wei) 2.072AHr，經過 100 個周期後，所測得的容量為 2.043AHr
，隨著周期數增加，容量有少量下降。還有一種趨勢
，即隨著充電 / 放電周期數的增加，充電後電池的最終電壓下降了，100 個(ge)周(zhou)期(qi)以(yi)後(hou)，這(zhe)種(zhong)趨(qu)勢(shi)尤(you)其(qi)顯(xian)著(zhu)。這(zhe)種(zhong)趨(qu)勢(shi)最(zui)有(you)可(ke)能(neng)是(shi)因(yin)為(wei)電(dian)池(chi)老(lao)化(hua)引(yin)起(qi)電(dian)池(chi)內(nei)部(bu)電(dian)阻(zu)的(de)小(xiao)量(liang)增(zeng)加(jia)導(dao)致(zhi)的(de)。內(nei)部(bu)電(dian)阻(zu)增(zeng)加(jia)使(shi)電(dian)池(chi)更(geng)快(kuai)地(di)達(da)到(dao)充(chong)電(dian)結(jie)束(shu)門(men)限(xian)。盡(jin)管(guan)在(zai)工(gong)作(zuo)時(shi)沒(mei)有(you)平(ping)衡(heng)，這(zhe)個(ge)電(dian)池(chi)組(zu)在(zai) 100 個周期中自始至終保持著同樣程度的不平衡。能像這個電池組一樣，每節電池自然而然相互匹配的電池組相當罕見。