电池主动平衡的工作原理及其优势

Kelly Kong

Greg Zimmer

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简介

锂电池的稳定性和安全性需要被谨慎对待。锂离子电池电芯（Cell, 或称电池单元）如果不能在受限充电状态 (SOC) 范围内运行，其容量可能会降低。超出其 SOC 限制，电池就可能会损坏，导致不稳定和不安全的行为。为了确保锂离子电池电芯的安全性、寿命和容量，必须谨慎设置其 SOC限制。

为了最大限度地提高每个电芯的可用容量和使用寿命，必须在所有电芯在 SOC 范围内运行的同时，尽量减少电芯的退化。实际上，只需将电芯保持在受限的 SOC 范围内，不干预，即可避免电芯的退化，但其可用容量还是会随着 SOC 的不匹配而逐渐减少。这是因为，当一个电芯达到 SOC 上限或下限时，充电或放电就必须停止，即使其他电芯还有剩余容量（见图 1）。

图 1：电池组的可用容量因 SOC 的不匹配而逐步降低

如今的大多数电池管理系统 (BMS) 都包含被动平衡功能，它可以周期性地将所有串联电芯的SOC调整至一个相同的值。被动平衡的做法是，根据需要在每个电芯上连接一个电阻，以耗散能量并降低电芯的 SOC。作为被动平衡的替代方案，主动平衡则利用功率转换在电池组中的电芯之间重新分配电荷。这种方法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范围。

本文将介绍几种常见的主动平衡方法，并提供其中一种方法的设计示例。

电芯平衡

即使最初匹配良好，电池组中的电芯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芯可能经历不同的温度或压力，从而影响容量。此外，轻微的制造差异也可能随着时间的推移放大，造成容量差异。了解容量差异对于了解 SOC失衡的来源非常重要。

电池电芯 SOC 的变化主要取决于电芯容量和流入/流出电芯的电流。例如，4Ahr 电池在 1 小时内接收 1A 电流会导致SOC 变化 25%；类似的，2Ahr 电池则将经历 50% 的 SOC 变化。

维持 SOC 平衡需要根据每个电芯的容量调整其充电/放电电流。并联连接的电芯会自动执行此操作，因为电流会从高 SOC 电池流向低 SOC 电池。但串联电芯之间的电流相同，如果存在容量差异，就会造成不平衡。这一点很重要，因为大多数电池组都具有串联电芯连接，当然也可能包含并联连接。

SOC调整同时适用于被动平衡和主动平衡。

被动平衡通过在单个电芯上连接电阻负载（通常采用BJT 或 MOSFET 晶体管）来降低电芯SOC。主动平衡则采用开关模式在电池组中的电芯之间重新分配能量。由于增加了实施复杂性和成本，传统的主动平衡通常仅限于具有极高功率水平和/或大容量电池的电池系统，例如发电站中的电池、商业储能系统 (ESS)、家用储能系统和电池备用装置。现有的新型解决方案成本和复杂性显著降低，这让越来越多的应用都能够利用主动平衡的优势。

被动平衡的电流通常限制为 0.25A，而主动平衡可高达 6A。更高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，更高平衡电流支持系统以快速周期运行，其中的平衡也必须快速完成。

被动平衡只消耗能量；主动平衡则会重新分配能量，从而显著提高能效。被动平衡仅在充电周期内可行，因为放电期间的操作会加剧电池组的能量消耗。主动平衡则在充电或放电期间都可以进行，放电期间进行主动平衡可以有更多的平衡时间，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（见图 2）。总之，对于需要更快平衡、有限热负载、需要提高能效和增加系统运行时间的应用，主动平衡更加有利。

图2: 主动平衡器均衡SOC

主动平衡方法

常用的主动平衡拓扑包括直接变压器式、开关矩阵加变压器式和双向升降压平衡。

基于变压器（双向反激式）的主动平衡器

双向反激式变换器允许电荷双向传输。双向反激式通常设计为边界模式反激式变换器。电池组中的每个电池单元都需要一个双向反激式变换器，包括一个反激式变压器（见图 3）。

图 3：采用 24V 电源轨的基于变压器的双向主动平衡器

采用不同的变压器设计时，能量传输的路径也有所不同。例如，能量可以从一个电芯传输到一个电池组内的另一个电芯子群；能量可以从任何一个电芯传输到电池组的顶部（连接到电池组端子），此时会需要一个大型高压反激变压器；能量还可以传输到、或来自一个辅助电源轨，例如24V 系统（见图 3）。

基于变压器的主动平衡方法通常需要许多变压器，这会导致具有高串数的电池组解决方案体积大且成本高。

开关矩阵+变压器主动平衡器

开关矩阵加变压器方法利用开关阵列将变压器连接到每个电芯，从而将变压器数量减至一个。开关矩阵中有两类开关：电芯开关和极性开关。电芯开关是直接连接到电池电芯的背对背 MOSFET，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，而且它们直接连接到单个双向反激式变换器或双向正激变换器的副边（见图 4）。

双向反激式变换器或正激变换器的副边连接到电池组或辅助电源轨。在这种配置中，每个电芯都可以与电池组或辅助电源轨在充电或放电期间交换能量。开关矩阵加变压器方法的主要优点是只需要一个变压器。

图4: 基于开关矩阵的双向DC/DC主动平衡器

双向升降压主动平衡器

升降压主动平衡器采用的方法更简单，它利用了常用的升降压电池充电器技术。升降压主动平衡是将电荷移动到直接相邻的电芯，而不是将电荷移动到电池组的各个位置或单独的电源轨，这极大地简化了平衡电路，并充分利用多个平衡器的同时操作将电荷分配到整个电池组中。

双通道升降压平衡器通过降压平衡模式或升压平衡模式，在两个相邻电芯之间提供双向电荷移动。通过在每对电芯上配置一个双通道升降压平衡器，电荷可以在整个电池组中移动（见图 5）。

图 5：双向升降压主动平衡器

与前两种主动平衡器相比，双通道升降压主动平衡器遵循了一个简单的流程：

在降压平衡模式下，主动平衡器将能量从上部电池 (CU) 传输到下部电池 (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，双向升降压主动平衡器最简单，也最可靠。表 1 对这三种主动平衡方法进行了比较。

表 1：三种主动平衡方法的比较

	优势	劣势
双向反激式	平衡效率更高可同时平衡多个通道	变压器复杂，价格昂贵占地面积大可靠性低变压器采购困难
矩阵开关	平衡效率较高	由于 MOSFET 数量较多而价格昂贵，例如2x(N+1)+4个（其中 N 为电芯数量）电路复杂一次只能平衡一个通道
升降压	高可靠性低成本，单电感操作简单可同时平衡多个通道	平衡效率较低（精心设计平衡策略可提高平衡效率）

设计示例

MP264x 系列器件（如MP2641、MP2642和MP2643）是高度集成的双向升降压主动平衡器，它们可以在两个串联的锂离子电芯之间提供高达 3A 的电荷重分配（见图 6）。该系列器件可用于所有常见的锂离子电池化学成分，例如 NMC、NCA、锂聚合物和 LFP。MP264x 可有效地在电芯之间移动电荷，最大限度地减少平衡时间和热量的产生。MP264x 还可以补偿不匹配的电池容量，从而延长电池使用时间。为了保证安全的运行，MP264x 还提供 CL 和 CU 过压保护 (OVP) 和欠压保护 (UVP)，以及过温关断保护。MP264x 系列采用 QFN-26（4mmx4mm）封装。

图6: MP264x典型应用电路

MP264x的配置非常简单：

1. 设置降压平衡电流（I_UBC）。I_UBC 可通过连接在 MP264x 的 UBC 和 AGND 引脚之间的外部电阻（R_UBC，单位为 kΩ）在0.5A 至 2.5A 之间进行配置。I_UBC 的计算公式 (1) 如下：

$$I_{UBC}= \frac{640}{3 \times R_{UBC}}$$

2. 设置升压平衡电流（I_LBC）。I_LBC 可通过连接在 MP264x 的 LBC 和 AGND 引脚之间的外部电阻（R_LBC，单位为kΩ）在0.5A 至 3A 之间进行配置。I_LBC 的计算公式 (2) 如下：

$$I_{LBC}= (\frac{V_{CUη} \times V_{CL}}{η \times V_{CL}}\times \frac {640}{3 \times R_{LBC}})$$

其中 V_CL 为低电池电压（CL 和 AGND 之间），V_CU 是两个串联电芯的电压（CU 和 AGND 之间）。V_CL 和 V_CU 均指未启用平衡功能时测得的电压。η 是变换器的升压平衡效率；该值取决于电芯电压，因此需合理选择（见表 2）。

表2: η的选择

V_CL(V)	η
< 3.65V	0.89
≥ 3.65V	0.91

将多个 MP264x 器件组合在一起，可以将主动平衡功能扩展到任意数量的串联电芯，电荷可以重新分配到电池组内的任意电芯。图 7 显示了三个 MP264x 器件串联在一起的 4 芯电池主动平衡功能示例。

图7: ESS中的典型应用电路

总结

随着对更安全、更节能、使用寿命更长的锂离子电池系统的需求不断增长，电池平衡功能的需求也日益高涨。被动平衡仅限于简单消耗能量的小电流，已不能满足现在的需求。主动平衡解决方案因其高电流、快速平衡等优势而越来越多地被采用，尤其是更简单、更可靠的双向升降压主动平衡器（例如MP2641、MP2642和MP2643）。马上了解 MPS 的主动平衡器，为您的应用找到更好的解决方案。