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【世说设计】让所有电芯具有相同容量,“被动均衡”你了解了吗?

2019-11-29
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在汽车和运输市场,大型电池组可提供高输出功率,但不会像汽油动力内燃机那样产生有害排放物(即一氧化碳和碳氢化合物)。理想情况下,电池组中的每个电池对系统的贡献相同。但是,当谈到电池时,所有电池并不都是同等的。即使电池的化学成分、物理尺寸和形状都相同,其总容量、内阻、自放电速率等也可能不同。此外,其老化速率可能不同,这又会在电池寿命方程式中增加一个变量。


电池组的性能受电池组中容量最低的电池单元限制;一旦最弱的电池单元耗尽,整个电池组便完全耗尽。电池组中每个电池单元的健康状况根据其充电状态 (SoC) 测量结果 (即测量剩余电量与电池容量的比率) 来确定。SoC 利用电池测量 (如电压、积分充电和放电电流、温度等) 来确定电池中剩余的电量。精密单芯片和多芯片电池管理系统 (BMS) 将电池监控 (包括 SoC 测量)与被动或主动电池均衡相结合,以提高电池组性能。这些测量产生如下结果:

  • 与单电芯容量独立的健康的电池电量状态
  • 电池单元间的充电状态不匹配程度最小化
  • 电池单元老化影响最小化 (老化导致容量损失)
对电池组而言,被动和主动电芯均衡有不同的优势,ADI 电池管理产品组合为这两种方法均提供了解决方案。我们先来看看被动均衡。


被动均衡可让所有电芯近乎具有相同容量


最初,电池组的电芯可能匹配得相当好。但随着时间推移,电芯匹配度会因充电/放电循环、高温和一般老化而降低。弱电芯的充放电速度将快于强 (或较高容量)电池单元,因此前者成为系统运行时间的限制因素。被动均衡会让电池组每个电芯的容量看起来与最弱电芯相同。它在充电周期中使用相对较低的电流,从高 SoC 电池消耗少量能量,使得所有电池单元充电至其最大 SoC。这是通过与每个电芯并联的开关和泄放电阻来实现的。


【图 1. 带泄放电阻的被动电池均衡器】


高 SoC 电池放电 (功率消耗在电阻中),因此充电可以继续,直至所有电芯都充满电。 


被动均衡使得所有电池具有相同的SoC,但它并未改善电池供电系统的运行时间。它提供了一种成本相当低的电池均衡方法,但由于放电电阻的存在,该过程中会浪费能量。被动均衡还能校正不同电池单元间的自放电电流的长期不匹配。


采用被动均衡的多节电池监控器


ADI 推出了一系列含有被动电池均衡能力的的多节电池监控器。这些器件采用可堆叠架构,可以监控数百个电芯。每个器件可测量多达 12 个串联连接的电芯,总测量误差小于 1.2 mV。每电池单元 0 V 至 5 V 的测量范围使其适用于大部分电池化学成分。LTC6804 如图 2 所示。


【图 2. 采用外部被动均衡的 LTC6804 应用电路】


LTC6804 具有内部被动均衡功能 (图3)。如果需要,它还可以配置外部 MOSFET(图 4)。它还具有可选的可编程被动均衡放电计时器,可为用户提供更多的系统配置灵活性。


【图 3. 带内部放电开关的被动均衡】


【图 4. 带外部放电开关的被动均衡】


对于希望系统运行时间最大化和充电效率更高的客户,主动均衡是最佳选择。在充电和放电期间,主动电池均衡不会浪费能量,而是将能量重新分配给电池组中的其他电池单元。放电时,较强的电池单元会给较弱的电池单元补充能量,从而延长电池单元达到其完全耗尽状态的时间。

LTC6804-1

  • 可测量多达 12 个串联电池的电压
  • 可堆叠式架构能支持几百个电池
  • 内置 isoSPI™接口:
    • 1Mbps 隔离式串行通信
    • 采用单根双绞线,长达 100 米
    • 低 EMI 敏感度和辐射
  • 1.2mV 最大总测量误差
  • 可在 290μs 内完成系统中所有电池的测量
  • 同步的电压和电流测量
  • 具频率可编程三阶噪声滤波器的 16 位增量累加 (ΔΣ) 型 ADC
  • 针对 ISO26262 标准的系统工程设计
  • 具可编程定时器的被动电池电荷平衡
  • 5 个通用的数字 I/O 或模拟输入:
    • 温度或其他传感器输入
    • 可配置为一个 I2C 或 SPI 主控器
  • 4μA 睡眠模式电源电流
  • 48 引脚 SSOP 封装

原文出自亚德诺半导体


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