由串聯連接、高能量密度、高峰值功率的鋰聚合物或磷酸鐵鋰(LiFePO4)電池單元組成的大電池包，廣泛用於從純電動車輛（EV或BEV）、油電混合動力車輛(HEV)、插電式混合動力車輛(PHEV)到能源存儲係統(ESS)的各類應用中。特別是電動汽車市場，預計會對大型串聯/並聯電池單元陣列產生巨大需求。2016年全球PHEV汽車銷量為77.5萬輛，預計2017年銷量為113萬輛。盡管對大容量電池單元的需求不斷增長，電池價格仍然相當高，構成EV或PHEV中價格最高的組件
，支持續航小幾百公裏的電池價格通常在10,000美元左右。高成本可以通過使用低成本/翻fan新xin的de電dian池chi單dan元yuan來lai化hua解jie，但dan此ci類lei電dian池chi單dan元yuan也ye將jiang具ju有you更geng大da的de容rong量liang不bu匹pi配pei性xing

，進jin而er減jian少shao單dan次ci充chong電dian後hou的de可ke用yong運yun行xing時shi間jian或huo可ke行xing駛shi距ju離li。即ji便bian是shi較jiao高gao成cheng本ben
、較高質量的電池單元，重複使用後也會老化且不匹配。提高具有不匹配電池單元的電池包容量有兩種辦法：一種是從一開始就使用更大的電池，但這樣做的性價比不高；另一種是使用主動均衡，這是一種新技術，可以恢複電池包中的電池容量
，快速增強動力。

 

 

當電池包中的每個電池單元具有相同的充電狀態(SoC)時，我們說電池包中的電池單元是均衡的。SoC是指當電池充電和放電時，單個電池的當前剩餘容量相對於其最大容量的比例。例如

，一個10安時的電池單元若有5安時的剩餘容量

，則其SoC為50%。所有電池單元都必須保持在某一SoC範圍內，以避免損壞電池或縮短壽命。SoC的允許最小和最大值因應用而異。在電池運行時間至關重要的應用中
，所有電池單元可以在20%的最小SoC和100%的最大SoC（或滿電狀態）之間工作。需要最長電池壽命的應用可能會將SoC範圍限製在最小30%到最大70%之間。這些是電動汽車和電網儲存係統的典型SoC限製
，它們使用非常大且昂貴的電池
，更換成本極高。電池管理係統(BMS)的主要作用是嚴密監控電池包中的所有單元，確保沒有任何電池單元充電或放電超出該應用的最小和最大SoC限值。

 

對於串聯/並(bing)聯(lian)電(dian)池(chi)單(dan)元(yuan)陣(zhen)列(lie)
，一(yi)般(ban)可(ke)以(yi)認(ren)為(wei)並(bing)聯(lian)連(lian)接(jie)的(de)電(dian)池(chi)單(dan)元(yuan)彼(bi)此(ci)之(zhi)間(jian)會(hui)自(zi)動(dong)均(jun)衡(heng)。也(ye)就(jiu)是(shi)說(shuo)，隨(sui)著(zhe)時(shi)間(jian)推(tui)移(yi)，隻(zhi)要(yao)電(dian)池(chi)單(dan)元(yuan)端(duan)子(zi)之(zhi)間(jian)存(cun)在(zai)導(dao)電(dian)路(lu)徑(jing)，並(bing)聯(lian)連(lian)接(jie)的(de)電(dian)池(chi)單(dan)元(yuan)之(zhi)間(jian)的(de)充(chong)電(dian)狀(zhuang)態(tai)就(jiu)會(hui)自(zi)動(dong)均(jun)衡(heng)。同(tong)樣(yang)可(ke)以(yi)認(ren)為(wei)，串(chuan)聯(lian)連(lian)接(jie)的(de)電(dian)池(chi)單(dan)元(yuan)的(de)充(chong)電(dian)狀(zhuang)態(tai)會(hui)隨(sui)著(zhe)時(shi)間(jian)推(tui)移(yi)而(er)出(chu)現(xian)差(cha)異(yi)，原(yuan)因(yin)有(you)多(duo)方(fang)麵(mian)。整(zheng)個(ge)電(dian)池(chi)包(bao)中(zhong)的(de)溫(wen)度(du)梯(ti)度(du)、阻抗、自放電速率或各電池單元負載之間的差異
，可能導致SoCzhujianbianhua。jinguandianchibaochongdianhefangdiandianliuyouzhuyushizhexiedianchidanyuanjianchayibianxiao
，danchufeizhouqixingdijunhengdianchidanyuan，fouzeleijidebupipeixingjianghuiyouzengwujian。buchangdianchidanyuandeSoC漸變是均衡串聯電池的最基本原因。通常情況下，被動或耗散均衡方案足以重新均衡電池包中容量接近的電池單元的SoC。

 

如圖1a所(suo)示(shi)，被(bei)動(dong)均(jun)衡(heng)既(ji)簡(jian)單(dan)又(you)便(bian)宜(yi)。然(ran)而(er)，被(bei)動(dong)均(jun)衡(heng)也(ye)非(fei)常(chang)緩(huan)慢(man)
，會(hui)在(zai)電(dian)池(chi)包(bao)內(nei)部(bu)產(chan)生(sheng)有(you)害(hai)的(de)熱(re)量(liang)，均(jun)衡(heng)結(jie)果(guo)是(shi)將(jiang)所(suo)有(you)電(dian)池(chi)單(dan)元(yuan)的(de)剩(sheng)餘(yu)容(rong)量(liang)減(jian)少(shao)到(dao)與(yu)電(dian)池(chi)包(bao)中(zhong)SoC最低的電池單元一致。此外，被動均衡缺乏能力有效解決另一種常見現象——容量不匹配引起的SoC誤(wu)差(cha)。所(suo)有(you)電(dian)池(chi)單(dan)元(yuan)在(zai)老(lao)化(hua)時(shi)都(dou)會(hui)損(sun)失(shi)容(rong)量(liang)，損(sun)失(shi)速(su)率(lv)往(wang)往(wang)不(bu)同(tong)，原(yuan)因(yin)類(lei)似(si)於(yu)串(chuan)聯(lian)電(dian)池(chi)單(dan)元(yuan)的(de)充(chong)電(dian)狀(zhuang)態(tai)隨(sui)著(zhe)時(shi)間(jian)推(tui)移(yi)而(er)出(chu)現(xian)差(cha)異(yi)。電(dian)池(chi)包(bao)電(dian)流(liu)均(jun)等(deng)地(di)流(liu)入(ru)和(he)流(liu)出(chu)所(suo)有(you)串(chuan)聯(lian)電(dian)池(chi)單(dan)元(yuan)
，因(yin)此(ci)電(dian)池(chi)包(bao)的(de)可(ke)用(yong)容(rong)量(liang)取(qu)決(jue)於(yu)電(dian)池(chi)包(bao)中(zhong)容(rong)量(liang)最(zui)低(di)的(de)電(dian)池(chi)單(dan)元(yuan)。隻(zhi)有(you)圖(tu)1b和圖1c所示的主動均衡方法可以讓電荷在整個電池包中重新分配，補償電池單元間不匹配所造成的容量損失。

 

圖1. 電池單元均衡典型拓撲結構。

 

 

電池單元間的容量或SoCbupipeikenenghuiyanzhongjiangdidianchibaokeyongrongliang，chufeijunhengdianchidanyuan。weishidianchibaorongliangzuidahua
，yaoqiuzaidianchibaochongdianhefangdianqijian
，dianchidanyuanshijunhengde。zaitu2所示的例子中
，一個10單元串聯電池包由（標稱）100 安時電池單元組成，最小容量單元與最大容量單元的容量誤差為±10%，對該電池包充電和放電，直至達到預定SoC限值。如果SoC值限製在30%和70%之間，並且不進行均衡
，則經過一次完全充電/放電循環之後，電池包可用容量相對於理論可用容量減少25%。被動均衡理論上可以在電池包充電階段均衡各電池單元的SoC，但在放電期間，無法阻止第10個單元先於其他單元達到30%的SoC水平。即使在電池包充電期間進行被動均衡
，在電池包放電期間也會損失可觀的容量（不可用）。隻有主動均衡解決方案才能恢複容量，在電池包放電期間將電荷從高SoC單元重新分配給低SoC單元。

 

圖2. 電池單元間不匹配導致電池包容量損失的例子。

 

圖3顯示了使用理想主動均衡功能可以100%恢複因電池單元間不匹配而導致的容量損失。在穩態使用期間，當電池包從70% SoC 的完全充電狀態放電時，必須從第1個單元（最高容量電池單元）中取出存儲的電荷並轉移到第10個單元（最低容量電池單元），否則第10個單元會先於其他單元達到最小30%的SoC點，導致電池包必須停止放電以防壽命進一步縮短。類似地，在充電階段必須將電荷從第10個單元中移除，重新分配到第1個單元，否則第10個單元會率先達到70%的SoC上shang限xian
，導dao致zhi充chong電dian周zhou期qi必bi須xu停ting止zhi。在zai電dian池chi包bao使shi用yong壽shou命ming中zhong的de某mou個ge時shi間jian點dian
，電dian池chi單dan元yuan老lao化hua的de差cha異yi將jiang不bu可ke避bi免mian地di造zao成cheng電dian池chi單dan元yuan之zhi間jian的de容rong量liang不bu匹pi配pei。隻zhi有you主zhu動dong均jun衡heng解jie決jue方fang案an才cai能neng恢hui複fu容rong量liang
，根gen據ju需xu要yao將jiang電dian荷he從cong高gaoSoC單元重新分配給低SoC單元。為在電池包使用壽命期間實現最大容量，需要通過主動均衡解決方案來給單個電池單元有效充電和放電，以使整個電池包維持SoC均衡。

 

圖3. 理想主動均衡實現容量恢複。

 

 

LTC3300-2（見圖4）是專為滿足高性能主動均衡需求而設計的新產品。高效率、雙向、主動均衡控製IC LTC3300-2是高性能BMS係統的關鍵組成部分。每個IC可以同時均衡多達6個串聯連接的鋰離子或磷酸鐵鋰電池單元。

 

圖4. LTC3300-2高效率、雙向、多電池單元主動均衡器。

 

通過在選定電池單元和一個由多達12個或更多相鄰電池單元組成的子電池包之間重新分配電荷來實現SoC均衡。均衡決策和均衡算法必須由另外的電芯監控器件和控製LTC3300-2的係統處理器來處理。電池單元放電時
，電荷從選定電池單元重新分配到整組相鄰電池單元（12個或更多）。類似地，電池單元充電時，電荷從整組相鄰電池單元（12個或更多）轉移到選定電池單元。所有均衡器可以沿任一方向同時工作
，以盡量縮短電池包均衡時間。LTC3300-2有一個兼容SPI總線的串行端口。器件可以利用數字隔離器並聯連接。多個器件由A0到A4引腳來確定器件地址唯一標識。LTC3300-2的串行接口由4個引腳組成：CSBI
、SCKI
、SDI和SDO。如果需要，SDO和SDI引腳可以連接在一起，形成單個雙向端口。5個地址引腳（A0到A4）設置器件地址。所有與串行通信相關的引腳都是電壓模式，其電平以VREG和V-電源為基準。

 

LTC3300-2中的每個均衡器都使用非隔離邊界模式同步反激式功率級，以實現每個電池單元的高效充電和放電。6個均衡器各自都需要自己的變壓器。每個變壓器的原邊連接在要均衡的電池單元兩端，副邊連接在12個(ge)或(huo)更(geng)多(duo)的(de)相(xiang)鄰(lin)電(dian)池(chi)單(dan)元(yuan)上(shang)，包(bao)括(kuo)要(yao)均(jun)衡(heng)的(de)電(dian)池(chi)單(dan)元(yuan)。副(fu)邊(bian)的(de)電(dian)池(chi)單(dan)元(yuan)數(shu)量(liang)僅(jin)受(shou)外(wai)部(bu)器(qi)件(jian)的(de)擊(ji)穿(chuan)電(dian)壓(ya)限(xian)製(zhi)。電(dian)池(chi)單(dan)元(yuan)的(de)充(chong)電(dian)和(he)放(fang)電(dian)電(dian)流(liu)由(you)外(wai)部(bu)檢(jian)測(ce)電(dian)阻(zu)結(jie)合(he)相(xiang)應(ying)的(de)外(wai)部(bu)開(kai)關(guan)和(he)變(bian)壓(ya)器(qi)調(tiao)整(zheng)來(lai)設(she)置(zhi)
，最(zui)高(gao)達(da)到(dao)10 A以上。高效率是通過同步操作和適當的器件選擇來實現的。各均衡器通過BMS係統處理器使能
，並且保持使能狀態，直到BMS命令均衡停止或檢測到故障狀態。 均衡器效率問題

 

電(dian)池(chi)包(bao)麵(mian)臨(lin)的(de)最(zui)大(da)克(ke)星(xing)之(zhi)一(yi)是(shi)熱(re)量(liang)。高(gao)環(huan)境(jing)溫(wen)度(du)會(hui)讓(rang)電(dian)池(chi)壽(shou)命(ming)和(he)性(xing)能(neng)迅(xun)速(su)降(jiang)低(di)。遺(yi)憾(han)的(de)是(shi)
，在(zai)大(da)電(dian)流(liu)電(dian)池(chi)係(xi)統(tong)中(zhong)，為(wei)了(le)延(yan)長(chang)運(yun)行(xing)時(shi)間(jian)或(huo)實(shi)現(xian)電(dian)池(chi)包(bao)快(kuai)速(su)充(chong)電(dian)，均(jun)衡(heng)電(dian)流(liu)也(ye)必(bi)須(xu)很(hen)大(da)。均(jun)衡(heng)器(qi)效(xiao)率(lv)低(di)下(xia)會(hui)導(dao)致(zhi)電(dian)池(chi)係(xi)統(tong)內(nei)部(bu)產(chan)生(sheng)有(you)害(hai)的(de)熱(re)量(liang)，必(bi)須(xu)通(tong)過(guo)減(jian)少(shao)給(gei)定(ding)時(shi)間(jian)內(nei)可(ke)運(yun)行(xing)的(de)均(jun)衡(heng)器(qi)數(shu)量(liang)或(huo)昂(ang)貴(gui)的(de)散(san)熱(re)方(fang)法(fa)來(lai)解(jie)決(jue)。如(ru)圖(tu)5所示
，LTC3300-2在充電和放電方向均實現90%以上的效率，相對於均衡器功耗相同但效率為80%的(de)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)
，前(qian)者(zhe)的(de)均(jun)衡(heng)電(dian)流(liu)可(ke)以(yi)增(zeng)加(jia)一(yi)倍(bei)以(yi)上(shang)。此(ci)外(wai)
，更(geng)高(gao)的(de)均(jun)衡(heng)器(qi)效(xiao)率(lv)會(hui)產(chan)生(sheng)更(geng)有(you)效(xiao)的(de)電(dian)荷(he)再(zai)分(fen)配(pei)
，進(jin)而(er)實(shi)現(xian)更(geng)有(you)效(xiao)的(de)容(rong)量(liang)恢(hui)複(fu)和(he)更(geng)快(kuai)的(de)充(chong)電(dian)。

 

圖5. LTC3300-2功率級性能。

 

 

諸如EV、PHEV和ESS之zhi類lei的de新xin應ying用yong正zheng在zai迅xun速su增zeng多duo。消xiao費fei者zhe始shi終zhong期qi望wang電dian池chi使shi用yong壽shou命ming長chang，運yun行xing可ke靠kao，無wu性xing能neng損sun失shi。無wu論lun使shi用yong電dian池chi還hai是shi汽qi油you作zuo為wei動dong力li，人ren們men都dou要yao求qiu汽qi車che能neng運yun行xing五wu年nian以yi上shang沒mei有you任ren何he明ming顯xian的de性xing能neng下xia降jiang。對duiEV或PHEV而言，性能等同於電池動力支持的可行駛距離。EV和PHEV供(gong)應(ying)商(shang)不(bu)僅(jin)要(yao)提(ti)供(gong)高(gao)電(dian)池(chi)性(xing)能(neng)

，還(hai)要(yao)提(ti)供(gong)數(shu)年(nian)的(de)包(bao)括(kuo)最(zui)短(duan)行(xing)駛(shi)距(ju)離(li)的(de)保(bao)修(xiu)服(fu)務(wu)，以(yi)保(bao)持(chi)競(jing)爭(zheng)力(li)。隨(sui)著(zhe)電(dian)動(dong)汽(qi)車(che)的(de)數(shu)量(liang)和(he)行(xing)駛(shi)時(shi)間(jian)的(de)不(bu)斷(duan)增(zeng)長(chang)，電(dian)池(chi)包(bao)內(nei)無(wu)規(gui)律(lv)的(de)電(dian)池(chi)單(dan)元(yuan)老(lao)化(hua)正(zheng)在(zai)成(cheng)為(wei)一(yi)個(ge)長(chang)期(qi)問(wen)題(ti)，這也是運行時間縮短的主要原因。串聯連接的電池運行時間總是受到電池包中最低容量電池單元的限製。一個較弱的電池單元就能拖累整個電池包。對於車輛供應商，由於行駛距離不足而更換或翻新保修期內的電池是非常不劃算的。為防止此類代價巨大的事件發生
，可以為每個單元使用更大

、更昂貴的電池

，或者采用LTC3300-2等高性能主動均衡器來補償電池單元不均勻老化引起的單元間容量不匹配問題。LTC3300-2可以讓嚴重不匹配的電池包擁有與電池單元完全匹配且平均容量相同的電池包不相上下的運行時間。