【導讀】無論每年銷售多少輛汽車，汽車中的電子系統都會繼續增加。對混合動力型和全電動型汽車的需求進一步推進了汽車電子市場的增長。隨著將電池作為電源這種方式日益流行，對于最大限度延長電池可用壽命，也出現了同樣的需求。那有好的技術來大幅度提升電動汽車電池壽命不？
汽車市場是凌力爾特公司重點關注的終端市場。上一財年，我們在汽車市場的收入已經增長到占公司總收入的 20%，增長速度持續高于公司的總體增長速度。汽車行業的大部分創新和差異化都源自汽車電子系統。提高行車安全性、燃油效率和舒適度的需求創造了巨大商機。混合動力型和全電動型汽車的激增將穩步促進對創新性模擬電子產品的需求。除了汽車電子系統的增加，全球潛在汽車市場預計也將出現穩步增長。
無論每年銷售多少輛汽車，汽車中的電子系統都會繼續增加。對混合動力型和全電動型汽車的需求進一步推進了汽車電子市場的增長。隨著將電池作為電源這種方式日益流行，對于最大限度延長電池可用壽命，也出現了同樣的需求。電池不平衡 (即組成電池包的各節電池之間的充電狀態失配) 是大型鋰離子電池包的一個問題，這個問題是由制造過程、工作條件和電池老化程度的不同造成的。電池不平衡可能減小電池包的總體容量，并有可能損壞電池包。電池不平衡妨礙了從充電狀態到放電狀態的電池跟蹤過程，而這個過程如果不能嚴格監控，就可能導致電池過度充電或過度放電，這將永久性地損壞電池。
對于混合電動型汽車和全電動型汽車電池包中使用的電池，電池制造商會針對其容量和內部阻抗進行分類，以減少交付給客戶的特定批次電池之間的差別。然后，用仔細挑選過的電池構成汽車電池包，以提高電池包中電池之間的總體匹配度。理論上，這樣做應該能夠防止電池包中出現很嚴重的電池不平衡，但是盡管如此，一個普遍的共識是，組成大型電池包時，要在電池包壽命期內保持很大的電池容量，電池監控和電池平衡都需要。凌力爾特新的電池管理系統 (BMS) 產品系列正是為了滿足這種需求而設計的，這些產品系列廣受歡迎，是目前在產及投入使用的小汽車和客車中采用的，也是為數不多的 BMS 品牌之一。
目前，大型、高壓可充電電池系統是電動型汽車中常見的動力源。這類大型電池組由串聯 / 并聯電池陣列組成，能夠存儲大量能量(數10千瓦時)。鋰聚合物或 LiFePO4 電池是常見選擇，因為這類電池能量密度高，有很強的峰值功率能力。與單節電池應用一樣，必須仔細控制這類電池組中各節電池的充電，并嚴格監控各節電池，以確保安全運行，防止電池過早老化或損壞。不過，與單節電池系統不同的是，串聯連接的電池組產生了一個額外的要求：電池平衡。
當電池組中的所有電池都有同樣的電荷狀態(SoC)時，這些電池是“平衡的”。SoC 指的是，隨著各節電池的充電和放電，其當前剩余容量與其最大容量之比。例如，一個10 A-hr電池，當前剩余容量是 5A-hr，那么其 SoC 就是50%。所有電池都必須保持在同一個SoC范圍之內，以避免損壞或縮短壽命。如應用不同，所允許的SoC最小值和最大值也不同。在最重視電池運行時間的應用中，所有電池都可能在20% SoC最小值和100% (滿充電狀態)最大值之間運行。要求電池壽命最長的應用也許限制SoC范圍為最小30% 至最大70%。這些數值是電動型汽車的典型 SoC 限制，這類汽車采用非常大、非常昂貴的電池，更換成本極高。BMS 的主要作用就是，仔細監視電池組中的所有電池，確保所有電池在充電和放電時，無一超出該應用的最小和最大SoC限制。
對于串聯/并聯電池陣列，假定并聯連接的電池相互之間會自動平衡，一般而言是安全的。也就是說，隨著時間變化，并聯連接電池的電荷狀態會自動平衡，只要電池端子之間的傳導通路存在。假定串聯連接電池的電荷狀態隨時間變化往往出現偏離，導致偏離的因素有多種。電池包中電池的溫度變化率或阻抗不同、自放電速率不同或各節電池的加載不同，都可能導致 SoC逐漸發生變化。盡管與電池包的充電和放電電流相比，電池之間的這些不同往往顯得不那么重要，但是電荷狀態失配會逐漸累積而不會減弱，除非對所有電池進行周期性平衡。各節電池的 SoC會逐步變化，需要補償，這是平衡串聯連接電池的最根本理由。一般而言，對于容量嚴格匹配的電池組，無源或消耗性平衡方法足以應對SoC 的再平衡問題。
無源平衡方法簡單、價格低廉。然而，無源平衡速度非常慢，在電池包內部產生不想要的熱量，是通過降低所有電池的剩余容量以與電池組中SoC最低的電池匹配，從而實現電池平衡。由于另一個常見問題，即容量失配，因而無源平衡方法有效應對SoC誤差的能力也不足。所有電池都隨著老化而出現容量下降，而且由于與前述類似的原因，容量下降的速度往往不同。既然入出所有串聯電池的電池組電流是相等的，那么電池組中容量最低的電池就決定了電池組的可用容量。只有有源平衡方法才能在整個電池組范圍內重新分配電荷，補償電池之間失配導致的容量下降。
電池之間無論是容量還是SoC失配，都會嚴重降低電池組的可用容量，除非電池之間是平衡的。要最大限度提高電池組容量，就要求在電池組充電和放電時，電池之間是平衡的。
例如，有一個由10 節電池串聯組成的電池組，每節電池都是 100A-hr (標稱值)，從容量最小的電池到容量最大的電池，容量誤差為+/-10%，對這個電池組充電和放電，直至達到預先設定的SoC限制為止。如果SoC值限制在 30% 至70%，且沒有進行電池平衡，那么在一次完整的充電/放電周期之后，相對于這些電池的理論可用容量，實際可用電池組容量降低25%。在電池組充電時，無源平衡方法理論上可以平衡每節電池的SoC，但是在電池組放電時，這種方法卻無法防止10 號電池先于其他電池達到 30% SoC 值。即使在電池組充電時采用了無源平衡，在電池組放電時仍然會有大量容量“丟失”(不可用)。只有采用有源平衡解決方案，在電池組放電時，從高SoC電池向低SoC電池重新分配電荷，才能實現“容量恢復”。
采用 “理想的”有源平衡方法，可以100%恢復由于電池失配而“丟失的”容量。在穩定狀態下使用這種方法時，當電池組從其70% SoC“滿”充電狀態放電時，必須將1號電池(容量最大的電池) 存儲的電荷有效地取出，并傳送給10號電池(容量最小的電池)，否則10號電池就會先于其余電池達到其 30% 最低SoC 值，這時電池組放電必須停止，以防電池組壽命進一步縮短。類似地，在充電時，電荷必須從10號電池轉移出來，重新分配給1號電池，否則10號電池就會先于其他電池達到其 70% SoC 上限，充電周期就必須終止。在電池組工作壽命期內的某一點，電池老化程度的不同將不可避免地導致電池之間的容量失配。只有有源平衡解決方案才能通過按需從高 SoC 電池向低 SoC 電池重新分配電荷，以實現 “容量恢復”。要想在電池組壽命期內實現最大電池組容量，就需要用有源平衡解決方案給各節電池高效率地充電和放電，以在整個電池組內保持SoC 平衡。
凌力爾特的 LTC3300(參見圖1) 是一款專門為滿足電動型汽車高性能有源平衡需求而設計的新產品。LTC3300 是一款高效率、雙向有源平衡控制 IC，是高性能BMS系統的關鍵組件。每款 IC 都可以同時平衡多達 6 節串聯連接的鋰離子或 LiFePO4 電池。
圖 1：凌力爾特的 LTC3300 是一款面向電動型汽車的雙向有源電池平衡器
SoC平衡是通過在指定電池和多達12節或更多相鄰電池之間重新分配電荷來實現。平衡決策和平衡算法必須由一個單獨的、控制LTC3300的監視器件和系統處理器來處理。從指定電池向12節或更多相鄰電池重新分配電荷，以給該電池放電。類似地，從12節或更多相鄰電池向指定電池傳送電荷，以給該電池充電。所有平衡器都可以同時以某一電荷傳送方向運行，以最大限度縮短電池組平衡時間。所有平衡控制命令都通過一個可疊置的、噪聲裕度很大的串行 SPI 接口提供給每個IC，而對疊置高度沒有限制。
LTC3300 中的每個平衡器都采用非隔離式、邊界模式同步反激式電源級，以實現各節電池的高效率充電和放電。6 個平衡器中每一個都需要自己的變壓器。每個變壓器的“主”邊都跨接在被平衡的電池兩端，“副”邊則跨接在12節或更多相鄰電池構成的電池組的兩端，其中包括被平衡的電池。副邊跨接的電池數量僅受到外部組件擊穿電壓的限制。與外部開關和變壓器的調節范圍相對應，電池的充電和放電電流可通過外部檢測電阻器設定為高達10A以上的值。是否排序以及是否對通過主邊和副邊組件的 IPEAK/IZERO 電流進行檢測，取決于平衡器是否啟動以給某節電池充電或放電。通過同步運行和恰當地選擇組件可以實現高效率。各個平衡器都是通過BMS系統處理器啟動的，這些平衡器將保持啟動狀態，直到BMS命令要求停止平衡或者檢測到故障情況為止。
電池包最大的難題之一是熱量。高環境溫度會迅速縮短電池壽命并降低其性能。不幸的是，在大電流電池系統中，平衡電流也必須很大，以延長運行時間，或實現電池包的快速充電。效率欠佳的平衡器會導致電池系統內產生不想要的熱量，這個問題必須通過減少在給定時間可以運行的平衡器數量或者通過昂貴的減熱方法來解決。LTC3300在充電和放電方向都能實現>90% 的效率，相對于效率為80%的解決方案而言，在平衡器功耗相等的情況下，這允許平衡電流提高一倍以上。此外，平衡器效率越高，電荷分配就越有效，這又會使容量恢復更有效、充電速度更快。
圖 2：LTC3300 怎樣在整個電池組內傳送電荷
在整個電池組內傳送電荷是通過副邊交錯連接實現的，如圖 2 所示。以這種方式交錯連接，允許電荷從 6 節電池構成的任何電池組傳送到相鄰電池組。請注意，相鄰電池在電池組中可以是上面的電池，也可以是下面的電池。當優化平衡算法時，這種靈活性非常有用。對交錯系統的常見誤解是：從非常長的電池組的頂部向底部重新分配電荷效率一定非常低，因為從頂部向底部移動電荷需要大量轉換。然而實際上，僅通過向或自最靠近需要平衡的電池的那些電池重新分配電荷，就可完成大多數平衡。在由10節或更多節電池組成的副邊電池組中，僅通過運行1個平衡器，就允許比較薄弱的電池恢復超過 90%“丟失”的容量，否則這種電池就會限制整個電池組的運行時間。因此，憑借LTC3300 的交錯拓撲，無需從電池組頂部一路將電荷移動到底部，大多數平衡工作是靠相鄰電池在局部完成的。
除了提供出色的電氣性能，LTC3300 雙向有源平衡器還提供很多行車安全功能，以防止平衡時出現閃失，并保持最高可靠性。數據完整性校驗 (對所有入出數據、看門狗定時器和回讀數據進行CRC 校驗) 防止平衡器響應意外或錯誤的命令。可編程伏-秒箝位確保平衡時電流檢測故障不會導致出現電流失控。逐電池過壓和欠壓校驗以及副邊過壓檢測可在平衡時防止突然發生的電池束線故障損壞平衡電路。
這些特性使 LTC3300 能夠在串聯電池系統中提供高性能，并提供可靠的有源平衡，例如電動型汽車中常見的那類串聯電池系統。隨著這類系統中電池的老化或需要更換，補償由此導致的電池容量失配以防進一步損害運行時間、充電時間或電池包壽命，這變得越來越重要了。
