被動均衡可讓所有電芯容量近乎具有相同容量
前言：
作者:
ADI 電源產品部設計總監Sam Nork
ADI 電源產品部產品行銷經理 Kevin Scott
在汽車和運輸市場中，大型電池組可提供高輸出功率，但不會像汽油動力引擎產生有害排放物 (即一氧化碳和碳氫化合物)。理想的情況下，電池組中的每個電池對系統的貢獻應該都是相同的。但是，當談到電池時，所有電池並不都是同等的。即使電池的化學成分、物理尺寸和形狀都相同，其總容量、內阻、自放電速率等也可能不同。此外，其老化速率也可能不同，而這又會在電池壽命方程式中增加一個變數。
電池組的性能受電池組中容量最低的電池單元限制；一旦最弱的電池單元耗盡，整個電池組便完全耗盡。電池組中每個電池單元的健康狀況根據其充電狀態 (SoC) 測量結果 (即測量剩餘電量與電池容量的比率) 來確定。SoC 利用電池測量 (如電壓、積分充電和放電電流、溫度等) 來確定電池中剩餘的電量。精密單晶片和多晶片電池管理系統 (BMS) 將電池監控 (包括 SoC 測量) 與被動或主動電池均衡相結合，以提高電池組性能。這些測量產生如下結果：
X 與單電芯容量獨立的健康的電池電量狀態
X 電池單元間的充電狀態不匹配程度最小化
X 電池單元老化影響最小化 (老化導致容量損失)
對電池組而言，被動和主動電芯均衡有不同的優勢，ADI 的電池管理產品組合為這兩種方法均提供了解決方案。我們先來看看被動均衡。
被動均衡可讓所有電芯近乎具有相同容量
最初，電池組的電芯可能匹配得相當好。但隨著時間推移，電芯匹配度會因充電/放電迴圈、高溫和一般老化而降低。弱電芯的充放電速度將快於強 (或較高容量) 電池單元，因此前者成為系統執行時間的限制因素。被動均衡會讓電池組每個電芯的容量看起來與最弱電芯相同。它在充電週期中使用相對較低的電流，從高 SoC 電池消耗少量能量，使得所有電池單元充電至其最大 SoC。這是透過與每個電芯並聯的開關和泄放電阻而能實現的。
最初，電池組的電芯可能匹配得相當好。但隨著時間推移，電芯匹配度會因充電/放電迴圈、高溫和一般老化而降低。弱電芯的充放電速度將快於強 (或較高容量) 電池單元，因此前者成為系統執行時間的限制因素。被動均衡會讓電池組每個電芯的容量看起來與最弱電芯相同。它在充電週期中使用相對較低的電流，從高 SoC 電池消耗少量能量，使得所有電池單元充電至其最大 SoC。這是透過與每個電芯並聯的開關和泄放電阻而能實現的。
圖 1.帶泄放電阻的被動電池等化器
高 SoC 電池放電 (功率消耗在電阻中)，因此充電可以繼續，直至所有電芯都充滿電。被動均衡使得所有電池具有相同的 SoC，但它並未改善電池供電系統的執行時間。它提供了一種成本相當低的電池平衡方法，但由於放電電阻的存在，該過程中會浪費能量。被動均衡還能校正不同電池單元間的自放電電流的長期不匹配。
圖 2.採用外部被動均衡的 LTC6804 應用電路
採用被動均衡的多節電池監控器
ADI 所推出之一系列多顆電池監控器具有被動電池均衡能力。這些元件採用可堆疊架構，可以監控數百個電芯。每個元件可測量多達 12 個串聯連接的電芯，總測量誤差小於 1.2 mV。每電池單元 0 V 至 5 V 的測量範圍使其適用於大部分電池化學成分。LTC6804 如圖 2 所示。
LTC6804 具有內部被動均衡功能 (圖 3)；如果需要，它還可以配置外部 MOSFET(圖 4)。它還具有可選的可編程被動均衡放電計時器，可為用戶提供更多的系統組態靈活性。
圖 3.帶內部放電開關的被動均衡
圖 4.帶外部放電開關的被動均衡
對於希望系統執行時間最大化和充電效率更高的客戶而言，主動均衡是最佳選擇。在充電和放電期間，主動電池均衡不會浪費能量，而是將能量重新分配給電池組中的其他電池單元。放電時，較強的電池單元會為較弱的電池單元補充能量，從而延長電池單元達到其完全耗盡狀態的時間。有關主動均衡的更多資訊，請參閱技術文章“主動電池單元均衡”。
