用于串聯連接電池的有源平衡處理辦法

今朝，從電動型汽車到電網負載均衡系統的各種使用中，大型、高壓可再充電電池系統是常見的電源。這些大型電池包由眾多單節電池串聯/并聯陣列組成，能存儲大量能量(數十千瓦小時)。鋰聚合物或磷酸鐵鋰(LiFepO4)電池是常見的技術選擇，因為這類電池能量密度高，能供應很高的峰值功率。在單節電池使用中，仔細控制電池充電并監視電池是確保安全工作、戒備電池過早老化或損壞的關鍵。不過，與單節電池系統不同的是，串聯連接的電池包提出了一項額外的要求，這就是電池平衡。

所有的串聯連接電池必需保持電荷平衡

當一個電池包中的每節電池具備相同的電荷狀態(SoC)時，這些電池就是平衡的。SoC指的是個別電池隨著它的充電和放電，目前相關于其最大容量的剩余容量。例如：一個剩余容量為5A-hr的10A-hr電池具有50%的SoC。所有的電池都非得保持在某個SoC范圍之內以戒備受損或壽命縮短。可容許的SoC最小值和最大值因使用而異。在最重視電池運行時間的使用中，所有電池都可以在20%的SoC最小值和100%的最大值(滿充電狀態)之間工作。而就要求電池壽命最長的使用而言，可能將SoC范圍限制在30%最小值和70%最大值之間。在電動型汽車和電網存儲系統中，這些數值是典型的SoC限制，電動型汽車和電網存儲系統使用非常大和非常昂貴的電池，更換費用極高。電池管理系統(BMS)的緊要用途是，仔細監視電池包中的所有電池，確保每一節電池的充電或放電都不超出該使用充電狀態限制的最小值和最大值。

在采用串聯/并聯電池陣列時，并聯連接電池會相互自動平衡，這種假定一般來說是對的。也就是說，隨著時間推移，只要電池接線端子之間存在傳導通路，那么在并聯連接的電池之間，電荷狀態就會自動平衡。串聯連接電池的電荷狀態會隨著時間變化而分化，這種假定也是對的，這么說有幾個原由。由于電池包各處溫度變化率的不同，或者不同電池之間阻抗、自放電速率或加載之不同，SoC會逐步發生變化。盡管電池包的充電和放電電流往往使電池之間的這些差異顯得不那么緊要，但是累積起來的失配會越來越大，除非對電池進行周期性的平衡。之所以要實現串聯連接電池的電荷平衡，最基本的原由就是補償各節電池SoC的逐步變化。通常，在一個各節電池具有嚴密匹配之容量的電池包中，運用被動或耗散電荷平衡辦法足以使SoC重新達到平衡。

如圖1A所示，無源平衡簡單，而且成本低廉。不過，無源平衡速度非常慢，在電池包內部出現不想要的熱量，而平衡是通過降低所有電池的余留容量，以與電池包中SoC值最低的電池相匹配。由于另一個常見的問題容量失配，無源平衡還缺乏有效應對SoC誤差的能力。隨著老化，所有電池的容量都會減小，而且電池容量減小的速率往往是不同的，原由與之前所述的類似。因為流進和流出所有串聯電池的電池包電流是相等的，所以電池包的可用容量由電池包中容量最小的電池決定。惟有采用有源平衡辦法(例如圖1B和1C中所示的那些辦法)才能向電池包各處重新分配電荷，以及補償由于不同電池之間的失配而導致容量的減小。

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