采用主動(dòng)平衡技術(shù)提高電動(dòng)汽車(chē)電池效率和壽命

　　節能環(huán)保一直是人們熱議話(huà)題，電動(dòng)和混合動(dòng)力汽車(chē)則提供了一種節省能源和減少二氧化碳排放的極好方式。然而，電動(dòng)和混合動(dòng)力汽車(chē)重要弱點(diǎn)就在于其電池容量，以及由此帶來(lái)的行駛距離的限制。由于能夠安裝進(jìn)汽車(chē)的最大電池尺寸常常受到體積和重量限制，因而優(yōu)化利用現有電池容量變得越來(lái)越重要。

　　要提供用于電動(dòng)汽車(chē)的現代高性能電池所需的幾百伏電壓，通常需要將幾個(gè)單獨的電池單元以串聯(lián)方式相連接。電池組中的每個(gè)電池單元，電池單元容量、自放電率、溫度特性和電池阻抗等都各有不同，而且差異會(huì )隨著(zhù)電池的老化而增大。當電池單元正在充電時(shí)，這種差異便會(huì )導致一種情形，即某些電池單元還沒(méi)有充滿(mǎn)足夠的電能，但另一些電池單元早已充滿(mǎn)電荷了。除非采取額外措施，否則充電過(guò)程必須終止，因為如果某個(gè)電池單元過(guò)分充電，就會(huì )發(fā)生損壞、甚至有可能完全毀壞。

　　類(lèi)似的情形也會(huì )在放電時(shí)發(fā)生。與前相反，情況是某個(gè)電池單元早已完全放電，而其它的電池單元仍然具有足夠的能量可繼續為汽車(chē)提供動(dòng)力（理論上的）。然而，這時(shí)汽車(chē)不可能繼續行走，因為這會(huì )使較弱的電池單元過(guò)度放電，結果會(huì )導致電池單元的損毀。為了避免上述兩種這些情況的發(fā)生，單個(gè)電池單元之間的主動(dòng)平衡是必須的。

　　被動(dòng)平衡方法將可用能量轉化為熱損耗

　　目前廣泛使用的方法是被動(dòng)平衡技術(shù)，就是使用電阻將早已充滿(mǎn)電的電池單元再次放電，以便其它電池單元能夠繼續充電。這個(gè)方法的缺點(diǎn)是顯而易見(jiàn)的：

　　* 出于平衡的目的，電池只能被放電

　　* 旁路電阻的放電電流引起功率損耗

　　* 寶貴的能量轉化為熱量，不能為汽車(chē)提供動(dòng)力

　　* 減少汽車(chē)的行駛距離

　　被動(dòng)平衡方法僅能將儲存在電池單元中的能量轉化為熱損耗，而主動(dòng)平衡則能夠將一個(gè)電池單元中的電荷傳送至另一電池單元。實(shí)現電荷傳送有幾種方法，如使用開(kāi)關(guān)電容或電感。當使用電容式方法時(shí)，電容會(huì )與有較高電壓的電池單元并聯(lián)。一旦此電池單元完成充電，它即與有較低電壓的電池單元并聯(lián)，能夠繼續為其充電。此過(guò)程會(huì )不斷重復，直至所有電池單元都達到相同的電壓為止。

　　使用電容器的方法具有很高的成本效益，但有個(gè)缺點(diǎn)就是平均的平衡電流被限制在50mA以下。使用電感方法則不存在此限制，并且在此情況下，很容易便達到1A或以上的平衡電流。

　　用主動(dòng)平衡法實(shí)現快速和幾乎無(wú)損耗的電荷傳送

　　主動(dòng)平衡是通過(guò)并聯(lián)電感和需獲取電荷的電池來(lái)實(shí)現的。此結果導致線(xiàn)圈中的電流持續增加。

　　一旦線(xiàn)圈已經(jīng)從通過(guò)晶體管放電的電池單元中去耦，電感中儲存的能量可通過(guò)一個(gè)二極管對鄰近電池充電。因而電荷可以在兩個(gè)單獨的電池單元之間來(lái)回地移動(dòng)，實(shí)現極高效率并且幾乎無(wú)損耗。此方法具有某些決定性的優(yōu)點(diǎn)：

　　* 平衡電流可能達到1A或以上

　　* 平衡在本質(zhì)上是無(wú)損耗的

　　* 平衡極其快速

　　* 增加了效率和電池容量

　　* 增加了汽車(chē)的行駛距離

　　相比所提到的其它方法，使用電感實(shí)施主動(dòng)平衡并不算是低成本的方法，因為當中使用了成本相對較高的電感元件。然而，這并不完全是個(gè)問(wèn)題?，F代高性能電池目前的成本接近10,000美元。而使用電感平衡方法，即使只獲得了額外的10%容量，也代表了1,000美元的價(jià)值--此金額可以用于購買(mǎi)大數量的電感器件。

　　鋰離子電池基于安全的原因，必須監控單個(gè)電池單元，因為過(guò)載會(huì )發(fā)生燃燒，在極端情況下甚至會(huì )發(fā)生爆炸。與過(guò)壓、欠壓和溫度監控一樣，精確的充電條件測定等附加功能也是需要的。在半導體市場(chǎng)上已提供能實(shí)現所有這些功能與不同的平衡方法的元件。使用先進(jìn)的主動(dòng)電池單元平衡解決方案（如愛(ài)特梅爾ATA6870電池管理電路）每一個(gè)電池單元都有單獨的電子監控，以便提供如充電狀態(tài)測定、主動(dòng)/被動(dòng)平衡或過(guò)壓、欠壓和溫度監控等功能。

　　鋰離子電池系統的測量數據記錄和主動(dòng)平衡

　　電池管理電路的核心由6個(gè)高精度12位模數轉換器組成。每個(gè)電池單元由一個(gè)單獨的模數轉換器監控。這種方法具有很多優(yōu)點(diǎn)，一方面可以同時(shí)測量所有的電池單元，另一方面，電池單元電壓無(wú)須傳輸模擬地，因而不會(huì )降低系統的準確度。除了提供有效的平衡，優(yōu)化電池單元容量的另一必要條件是精確記錄電池單元電壓，因為鋰離子電池具有非常平坦的特性曲線(xiàn)。因此在模擬/數字轉換后，電路傳輸數字電壓值而不會(huì )有準確度的損失。

　　ATA6870可以在單個(gè)電池單元之間同時(shí)實(shí)現被動(dòng)平衡和主動(dòng)平衡的器件，能夠使用電容器或電感器以串聯(lián)方式連接多達300個(gè)或更多的高性能電池。如要避免電池單元太多導致太長(cháng)的平衡時(shí)間，可以使用這種解決方案在任何數量的電池單元中同時(shí)進(jìn)行平衡。借助于此電路，現在有可能開(kāi)發(fā)低成本的、高效安全的電池管理系統，而且因為其可以非常精確地記錄單個(gè)電池單元的充電狀態(tài)，加上平衡方法能夠提供高效率，因而可以從電池中攫取最后一點(diǎn)能量來(lái)驅動(dòng)汽車(chē)運行。這為增加電動(dòng)汽車(chē)和插電式混合動(dòng)力車(chē)的行駛距離踏出一大步，進(jìn)而能夠促進(jìn)這些車(chē)輛的成功。

圖1:使用電阻的被動(dòng)平衡。

圖2:使用電容器的主動(dòng)平衡。

圖3:使用電感器的主動(dòng)平衡。

圖4:ATA6870鋰離子電池管理IC模塊圖。