隨著(zhù)電池組的老化 高效的雙向主動(dòng)平衡器可延長(cháng)電池運行時(shí)間

由串聯(lián)的、高功率密度、高峰值功率鋰聚合物或鋰鐵磷酸 (LiFePO4) 電池組成的大型電池組被普遍用于全電動(dòng) (EV 或者 BEV) 和混合燃氣 / 電動(dòng)汽車(chē) (HEV 和插電式混合電動(dòng)汽車(chē)或 PHEV)、儲能系統 (ESS) 等各種應用。據預測，電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)對大規模串聯(lián) / 并聯(lián)電池組將有很強的需求。PEV 和 EV 銷(xiāo)售在 2012 ~ 2020 年度的復合增長(cháng)率 (CAGR) 將達到 37.4%1。對大容量電池的需求越來(lái)越強烈，而電池價(jià)格一直非常高，是 EV 或 PHEV 價(jià)格最高的組件，對于能行駛幾十公里范圍的電池價(jià)格通常就要超過(guò) 10,000 美元。高成本可以通過(guò)使用低成本 / 翻新電池來(lái)減輕成本壓力，但這類(lèi)電池會(huì )有較大的容量不匹配問(wèn)題，這會(huì )縮短可使用時(shí)間和在一次充電后的行駛距離。即使是成本較高、質(zhì)量較好的電池也會(huì )老化，不斷重復使用會(huì )導致電池失配。要提高具不匹配電池的電池組容量可以通過(guò)兩種方式來(lái)實(shí)現：開(kāi)始時(shí)采用較大的電池，但這樣做非常不符合成本效益;或采用主動(dòng)平衡，該新技術(shù)可恢復電池組的電池容量，正有快速上升勢頭。

所有的串聯(lián)連接電池必需保持電荷平衡

當一個(gè)電池組中的每節電池具備相同的電荷狀態(tài) (SoC) 時(shí)，這些電池就是“平衡”的。SoC 指的是個(gè)別電池隨著(zhù)它的充電和放電，相對于其最大容量的剩余容量。例如：一個(gè)剩余容量為 5A-hr 的 10A-hr 電池具有 50% 的 SoC。所有的電池都必須保持在某個(gè) SoC 范圍之內以避免受損或壽命縮短?？扇菰S的 SoC 最小值和最大值因應用而異。在最重視電池運行時(shí)間的應用中，所有電池都可以在 20% 的 SoC 最小值和 100% 的最大值 (滿(mǎn)充電狀態(tài)) 之間工作。而就要求電池壽命最長(cháng)的應用而言，可能將SoC范圍限制在 30% 最小值和 70% 最大值之間。在電動(dòng)型汽車(chē)和電網(wǎng)存儲系統中，這些數值是典型的SoC 限制，電動(dòng)型汽車(chē)和電網(wǎng)存儲系統使用非常大和非常昂貴的電池，更換費用極高。電池管理系統 (BMS) 的主要作用是，仔細監視電池組中的所有電池，確保每一節電池的充電或放電都不超出該應用充電狀態(tài)限制的最小值和最大值。

在采用串聯(lián) / 并聯(lián)電池陣列時(shí)，并聯(lián)連接電池會(huì )相互自動(dòng)平衡，這種假定一般來(lái)說(shuō)是對的。也就是說(shuō)，隨著(zhù)時(shí)間推移，只要電池接線(xiàn)端子之間存在傳導通路，那么在并聯(lián)連接的電池之間，電荷狀態(tài)就會(huì )自動(dòng)平衡。串聯(lián)連接電池的電荷狀態(tài)會(huì )隨著(zhù)時(shí)間變化而分化，這種假定也是對的，這么說(shuō)有幾個(gè)原因。由于電池組各處溫度變化率的不同，或者電池之間阻抗不同、自放電速率或加載之不同，SoC 會(huì )逐步發(fā)生變化。盡管電池組的充電和放電電流往往使電池之間的這些差異顯得不那么重要，但是累積起來(lái)的失配會(huì )越來(lái)越大，除非對電池進(jìn)行周期性的平衡。之所以要實(shí)現串聯(lián)連接電池的電荷平衡，最基本的原因就是補償各節電池 SoC 的逐步變化。通常，在一個(gè)各節電池具有嚴密匹配之容量的電池組中，運用被動(dòng)或耗散電荷平衡方案足以使 SoC 重新達到平衡。

如圖 1A 所示，無(wú)源平衡簡(jiǎn)單而且成本低廉。不過(guò)，無(wú)源平衡速度非常慢，在電池組內部產(chǎn)生不想要的熱量，而平衡是通過(guò)降低所有電池的余留容量，以與電池組中 SoC 值最低的電池相匹配。由于另一個(gè)常見(jiàn)的問(wèn)題“容量失配”，無(wú)源平衡還缺乏有效應對 SoC 誤差的能力。隨著(zhù)老化，所有電池的容量都會(huì )減小，而且電池容量減小的速率往往是不同的，原因與之前所述的類(lèi)似。因為流進(jìn)和流出所有串聯(lián)電池的電池組電流是相等的，所以電池組的可用容量由電池組中容量最小的電池決定。只有采用有源平衡方法 (例如圖 1B 和 1C 中所示的那些方法) 才能向電池組各處重新分配電荷，以及補償由于不同電池之間的失配而導致容量的減小。

圖 1：典型的電池平衡拓撲