锂电池主动平衡的工作原理及其优点

锂电池的稳定性和安全性需要谨慎对待。如果锂离子电池单元不在受限的充电状态 (SOC) 范围内运行，其容量就会降低。如果超出 SOC 限制，这些电池可能会损坏，导致不稳定和不安全的行为。因此，为了确保锂离子电池单元的安全性、寿命和容量，必须仔细限制其 SOC。

为了最大限度地提高每个电池单元的可用容量和使用寿命，必须在所有电池单元的 SOC 范围内运行时尽量减少性能下降。只需将电池单元保持在受限的 SOC 范围内而不进行干预即可避免性能下降，但可用容量会随着 SOC 不匹配而逐渐减少。这是因为当一个电池单元达到 SOC 上限或下限时，充电或放电必须停止，即使其他电池单元还有剩余容量(图 1)。

图 1电池组的可用容量因 SOC 不匹配而降低。

目前，大多数电池管理系统 (BMS) 都包含被动平衡功能，可定期将所有串联电池单元调整至共同的 SOC 值。被动平衡通过根据需要在每个电池单元上连接一个电阻来实现这一点，以耗散能量并降低电池单元的 SOC。

作为被动平衡的替代方案，主动平衡使用功率转换在电池组的各个电池之间重新分配电荷。这可以实现更高的平衡电流、更低的发热量、更快的平衡时间、更高的能效和更长的运行距离。

本文介绍了一些常见的主动平衡方法并解释了这些方法的工作原理。

电池平衡

即使最初匹配良好，电池组中的电池也会随着时间的推移而产生容量变化。例如，电池组中不同物理位置的电池可能会经历不同的温度或压力，从而影响容量。此外，微小的制造差异可能会随着时间的推移而放大，并造成容量差异。了解容量差异对于了解 SOC 不平衡的来源至关重要。

电池单元 SOC 的变化主要由电池容量和电池进出电流决定。例如，4-Ahr 电池在 1 小时内接受 1 A 电流时，SOC 变化为 25%，而类似的 2-Ahr 电池将经历 50% 的 SOC 变化。

保持 SOC 平衡需要根据每个电池的容量调整其充电/放电电流。并联连接的电池会自动执行此操作，因为电流会从高 SOC 电池流向低 SOC 电池。相比之下，串联电池之间的电流相同，如果存在容量差异，则会产生不平衡。这一点很重要，因为大多数电池组都有串联电池连接，即使它们也包括并联连接。

SOC调整适用于被动平衡和主动平衡。

被动平衡通过在各个电池上放置电阻负载(最常用的是使用 BJT 或 MOSFET 晶体管)来降低电池 SOC。但主动平衡采用开关模式方法在电池组中的电池之间重新分配能量。

由于实施过程中增加了复杂性和成本，主动平衡传统上仅限于具有更高功率水平和/或大容量电池的电池系统，例如发电站的电池、商业储能系统 (ESS)、家用储能系统和电池备用装置。现在有新的解决方案，成本和复杂性显著降低，使越来越多的应用能够利用主动平衡的优势。

被动平衡的电流通常限制为 0.25 A，而主动平衡可支持高达 6 A。更高的平衡电流可实现更快的平衡，从而支持更大容量的电池单元，例如 ESS 中使用的电池单元。此外，更高的平衡电流支持以快速周期运行的系统，在这些系统中必须快速完成平衡。

被动平衡只会消耗能量;而主动平衡则会重新分配能量，从而显著提高能源效率。被动平衡仅在充电周期内实用，因为放电期间的操作会加速电池组的能量消耗。相反，主动平衡可以在充电或放电期间实施。

放电期间主动平衡的能力可提供更多的平衡时间，并允许电荷从强电池转移到弱电池，从而延长电池组的运行时间(图 2)。总之，主动平衡对于需要更快平衡、限制热负荷、提高能源效率和增加系统运行时间的应用有利。

图 2主动平衡在充电和放电期间均衡 SOC。

主动平衡方法

常用的主动平衡拓扑包括基于直接变压器的、开关矩阵加变压器的、以及双向降压 - 升压平衡。

1. 基于变压器的(双向反激式)主动平衡器

双向反激式转换器允许电荷双向传输。双向反激式转换器设计为边界模式反激式转换器。电池组中的每个电池单元都需要一个双向反激式转换器，包括反激式变压器(图 3)。

图 3基于变压器的双向有源平衡器可双向传输电荷，并且可以使用 24V 电源轨。

使用不同的变压器设计时，有几种可能的能量传输路径。例如，能量可以从一个电池传输到电池组内的一组电池。能量可以从任何电池传输到电池组的顶部(连接到电池组端子)，这需要大型高压反激式变压器。能量也可以传输到辅助电源轨或从辅助电源轨传输，例如图 3 所示的 24 V 系统。

使用基于变压器的主动平衡方法时通常需要许多变压器，这会导致高串数电池组的解决方案体积大、成本高。

1. 开关矩阵加变压器有源平衡器

开关矩阵加变压器方法使用开关阵列将变压器连接到各个电池单元，从而将变压器的数量减少到一个。在开关矩阵中，有两种类型的开关：电池单元开关和极性开关。

电池开关是背对背 MOSFET，直接连接到电池单元。它们可以阻止沿充电和放电方向流动的电流。相反，极性开关仅阻止沿一个方向流动的电流，并且它们直接连接到单个双向反激式转换器或双向正向转换器的次级侧(图 4)。

图 4基于开关矩阵的双向 DC/DC 有源平衡器使用开关阵列。

双向反激式转换器或正向式转换器的初级侧连接到电池组或辅助电源轨。在这种布置中，每个电池都可以与电池组或辅助电源轨交换能量(充电或放电期间)。如上所述，开关矩阵加变压器的主要优势在于只需要一个变压器。

1. 双向降压-升压主动平衡器

降压-升压主动平衡器采用更简单的方法，利用常用的降压和升压电池充电器技术。降压-升压主动平衡不是将电荷移动到电池组的各个位置或单独的电源轨，而是将电荷移动到直接相邻的电池。这大大简化了平衡电路，并利用多个平衡器的同时操作将电荷分配到整个电池组中。

双通道降压-升压平衡器通过在降压平衡模式或升压平衡模式下运行，可在两个相邻电池之间提供双向电荷移动。通过在每对电池上放置一个双通道降压-升压平衡器，电荷可以在整个电池组中移动(图 5)。

图 5双向“降压”和“升压”有源平衡器将电荷移动到直接相邻的电池。

与之前的两种有源平衡器相比，双通道降压升压有源平衡器遵循一个简单的流程：

· 在降压平衡模式下，主动平衡器将能量从上部电池(CU)传输至下部电池(CL)。

· 在升压平衡模式下，主动平衡器将能量从 CL 传输到 CU。

在三种类型的主动平衡器中，双向降压-升压主动平衡器最简单、最可靠。表 1比较了这三种主动平衡方法。

表 1以上数据重点介绍了三种主动平衡方法的功能。

为什么主动平衡更可行

随着人们对更安全、更节能、使用寿命更长的锂离子电池系统的需求不断增长，对更佳电池平衡的需求也日益增长。被动平衡仅限于消耗能量的小电流，已不足以满足这些需求。

因此，主动平衡解决方案因其高电流、快速电池平衡优势而得到越来越多人的采用。特别是双向降压-升压主动平衡器提供了简单性和可靠性。