鋰電池的穩(wěn)定性和安全性需要謹慎對待。如果鋰離子電池單元不在受限的充電狀態(tài) (SOC) 范圍內(nèi)運行，其容量就會降低。如果超出 SOC 限制，這些電池可能會損壞，導致不穩(wěn)定和不安全的行為。因此，為了確保鋰離子電池單元的安全性、壽命和容量，必須仔細限制其 SOC。
為了最大限度地提高每個電池單元的可用容量和使用壽命，必須在所有電池單元的 SOC 范圍內(nèi)運行時盡量減少性能下降。只需將電池單元保持在受限的 SOC 范圍內(nèi)而不進行干預即可避免性能下降，但可用容量會隨著 SOC 不匹配而逐漸減少。這是因為當一個電池單元達到 SOC 上限或下限時，充電或放電必須停止，即使其他電池單元還有剩余容量(圖 1)。
圖 1電池組的可用容量因 SOC 不匹配而降低。
目前，大多數(shù)電池管理系統(tǒng) (BMS) 都包含被動平衡功能，可定期將所有串聯(lián)電池單元調(diào)整至共同的 SOC 值。被動平衡通過根據(jù)需要在每個電池單元上連接一個電阻來實現(xiàn)這一點，以耗散能量并降低電池單元的 SOC。
作為被動平衡的替代方案，主動平衡使用功率轉換在電池組的各個電池之間重新分配電荷。這可以實現(xiàn)更高的平衡電流、更低的發(fā)熱量、更快的平衡時間、更高的能效和更長的運行距離。
本文介紹了一些常見的主動平衡方法并解釋了這些方法的工作原理。
電池平衡
即使最初匹配良好，電池組中的電池也會隨著時間的推移而產(chǎn)生容量變化。例如，電池組中不同物理位置的電池可能會經(jīng)歷不同的溫度或壓力，從而影響容量。此外，微小的制造差異可能會隨著時間的推移而放大，并造成容量差異。了解容量差異對于了解 SOC 不平衡的來源至關重要。
電池單元 SOC 的變化主要由電池容量和電池進出電流決定。例如，4-Ahr 電池在 1 小時內(nèi)接受 1 A 電流時，SOC 變化為 25%，而類似的 2-Ahr 電池將經(jīng)歷 50% 的 SOC 變化。
保持 SOC 平衡需要根據(jù)每個電池的容量調(diào)整其充電/放電電流。并聯(lián)連接的電池會自動執(zhí)行此操作，因為電流會從高 SOC 電池流向低 SOC 電池。相比之下，串聯(lián)電池之間的電流相同，如果存在容量差異，則會產(chǎn)生不平衡。這一點很重要，因為大多數(shù)電池組都有串聯(lián)電池連接，即使它們也包括并聯(lián)連接。
SOC調(diào)整適用于被動平衡和主動平衡。
被動平衡通過在各個電池上放置電阻負載(最常用的是使用 BJT 或 MOSFET 晶體管)來降低電池 SOC。但主動平衡采用開關模式方法在電池組中的電池之間重新分配能量。
由于實施過程中增加了復雜性和成本，主動平衡傳統(tǒng)上僅限于具有更高功率水平和/或大容量電池的電池系統(tǒng)，例如發(fā)電站的電池、商業(yè)儲能系統(tǒng) (ESS)、家用儲能系統(tǒng)和電池備用裝置?，F(xiàn)在有新的解決方案，成本和復雜性顯著降低，使越來越多的應用能夠利用主動平衡的優(yōu)勢。
被動平衡的電流通常限制為 0.25 A，而主動平衡可支持高達 6 A。更高的平衡電流可實現(xiàn)更快的平衡，從而支持更大容量的電池單元，例如 ESS 中使用的電池單元。此外，更高的平衡電流支持以快速周期運行的系統(tǒng)，在這些系統(tǒng)中必須快速完成平衡。
被動平衡只會消耗能量;而主動平衡則會重新分配能量，從而顯著提高能源效率。被動平衡僅在充電周期內(nèi)實用，因為放電期間的操作會加速電池組的能量消耗。相反，主動平衡可以在充電或放電期間實施。
放電期間主動平衡的能力可提供更多的平衡時間，并允許電荷從強電池轉移到弱電池，從而延長電池組的運行時間(圖 2)。總之，主動平衡對于需要更快平衡、限制熱負荷、提高能源效率和增加系統(tǒng)運行時間的應用有利。
圖 2主動平衡在充電和放電期間均衡 SOC。
主動平衡方法
常用的主動平衡拓撲包括基于直接變壓器的、開關矩陣加變壓器的、以及雙向降壓 - 升壓平衡。
1. 基于變壓器的(雙向反激式)主動平衡器
雙向反激式轉換器允許電荷雙向傳輸。雙向反激式轉換器設計為邊界模式反激式轉換器。電池組中的每個電池單元都需要一個雙向反激式轉換器，包括反激式變壓器(圖 3)。
圖 3基于變壓器的雙向有源平衡器可雙向傳輸電荷，并且可以使用 24V 電源軌。
使用不同的變壓器設計時，有幾種可能的能量傳輸路徑。例如，能量可以從一個電池傳輸?shù)诫姵亟M內(nèi)的一組電池。能量可以從任何電池傳輸?shù)诫姵亟M的頂部(連接到電池組端子)，這需要大型高壓反激式變壓器。能量也可以傳輸?shù)捷o助電源軌或從輔助電源軌傳輸，例如圖 3 所示的 24 V 系統(tǒng)。
使用基于變壓器的主動平衡方法時通常需要許多變壓器，這會導致高串數(shù)電池組的解決方案體積大、成本高。
1. 開關矩陣加變壓器有源平衡器
開關矩陣加變壓器方法使用開關陣列將變壓器連接到各個電池單元，從而將變壓器的數(shù)量減少到一個。在開關矩陣中，有兩種類型的開關：電池單元開關和極性開關。
電池開關是背對背 MOSFET，直接連接到電池單元。它們可以阻止沿充電和放電方向流動的電流。相反，極性開關僅阻止沿一個方向流動的電流，并且它們直接連接到單個雙向反激式轉換器或雙向正向轉換器的次級側(圖 4)。
圖 4基于開關矩陣的雙向 DC/DC 有源平衡器使用開關陣列。
雙向反激式轉換器或正向式轉換器的初級側連接到電池組或輔助電源軌。在這種布置中，每個電池都可以與電池組或輔助電源軌交換能量(充電或放電期間)。如上所述，開關矩陣加變壓器的主要優(yōu)勢在于只需要一個變壓器。
1. 雙向降壓-升壓主動平衡器
降壓-升壓主動平衡器采用更簡單的方法，利用常用的降壓和升壓電池充電器技術。降壓-升壓主動平衡不是將電荷移動到電池組的各個位置或單獨的電源軌，而是將電荷移動到直接相鄰的電池。這大大簡化了平衡電路，并利用多個平衡器的同時操作將電荷分配到整個電池組中。
雙通道降壓-升壓平衡器通過在降壓平衡模式或升壓平衡模式下運行，可在兩個相鄰電池之間提供雙向電荷移動。通過在每對電池上放置一個雙通道降壓-升壓平衡器，電荷可以在整個電池組中移動(圖 5)。
圖 5雙向“降壓”和“升壓”有源平衡器將電荷移動到直接相鄰的電池。
與之前的兩種有源平衡器相比，雙通道降壓升壓有源平衡器遵循一個簡單的流程：
· 在降壓平衡模式下，主動平衡器將能量從上部電池(CU)傳輸至下部電池(CL)。
· 在升壓平衡模式下，主動平衡器將能量從 CL 傳輸?shù)?CU。
在三種類型的主動平衡器中，雙向降壓-升壓主動平衡器最簡單、最可靠。表 1比較了這三種主動平衡方法。
表 1以上數(shù)據(jù)重點介紹了三種主動平衡方法的功能。
為什么主動平衡更可行
隨著人們對更安全、更節(jié)能、使用壽命更長的鋰離子電池系統(tǒng)的需求不斷增長，對更佳電池平衡的需求也日益增長。被動平衡僅限于消耗能量的小電流，已不足以滿足這些需求。
因此，主動平衡解決方案因其高電流、快速電池平衡優(yōu)勢而得到越來越多人的采用。特別是雙向降壓-升壓主動平衡器提供了簡單性和可靠性。
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