引言
　　隨著電池作為電源使用而日益受到歡迎，又出現(xiàn)了一種同樣強(qiáng)勁的需求，即最大限度地延長(zhǎng)電池的使用壽命。電池不平衡 （即組成一個(gè)電池組的各節(jié)電池的充電狀態(tài)失配） 在大型鋰離子電池組中是個(gè)問題，這個(gè)問題是由制造工藝、工作條件和電池老化的差異造成的。不平衡可能降低電池組的總?cè)萘?，并有可能損壞電池組。不平衡使電池從充電狀態(tài)到放電狀態(tài)都無法跟蹤，而且如果沒有密切監(jiān)視，可能導(dǎo)致電池過度充電或過度放電，這將永久性地?fù)p壞電池。電池制造商按照容量和內(nèi)部電阻對(duì)混合電動(dòng)型汽車以及電動(dòng)型汽車電池組中使用的電池進(jìn)行分類，以在交付給客戶的特定批次中，減少電池之間的差異。然后，再仔細(xì)挑選電池來構(gòu)成汽車電池組，以改善電池組中每?jī)晒?jié)電池之間的匹配。理論上，這應(yīng)該能防止電池組中產(chǎn)生大量的不平衡，但是盡管如此，普遍的共識(shí)是，當(dāng)構(gòu)成大型電池組時(shí)，既需要電池監(jiān)視、又需要電池平衡，以在電池組壽命期內(nèi)保持大的電池容量。
　　要理解平衡的重要性，第一步是利用兩個(gè)相同的電池組來評(píng)估兩種基本的電池管理策略。該測(cè)試將探究，在電池壽命期內(nèi)，電池組的總?cè)萘渴窃鯓邮艿接绊懙?。為了評(píng)估這兩種策略，要設(shè)計(jì)一個(gè)電池監(jiān)視系統(tǒng) （BMS）。該電池監(jiān)視系統(tǒng)由 3 個(gè)部分組成：監(jiān)視硬件、平衡硬件和控制器。用在測(cè)試中的電池監(jiān)視系統(tǒng)能監(jiān)視電池電壓和電池負(fù)載電流、平衡電池，并能控制電池與負(fù)載及電池充電器的連接。
　　監(jiān)視硬件
　　一個(gè)簡(jiǎn)單的電池監(jiān)視器和平衡系統(tǒng)如圖 1 所示。該電池監(jiān)視系統(tǒng)的硬件是圍繞高度集成的 LTC6803-1 多節(jié)電池監(jiān)視 IC 設(shè)計(jì)的。每個(gè) LTC6803-1 能測(cè)量多達(dá) 12 節(jié)電池，并允許以可連接多個(gè) IC 的串行菊花鏈形式連接，從而使一個(gè)系統(tǒng)能通過一個(gè)串行端口監(jiān)視超過 100 個(gè)電池。當(dāng)設(shè)計(jì)一個(gè)電池監(jiān)視系統(tǒng)時(shí)，某些規(guī)范應(yīng)當(dāng)給以特殊考慮，首先是電池電壓準(zhǔn)確度。當(dāng)試圖決定單個(gè)電池的充電狀態(tài)時(shí)，電池電壓的準(zhǔn)確度至關(guān)重要，而且一節(jié)電池能否在接近工作極限的條件下工作，電池電壓的準(zhǔn)確度是限制因素之一。LTC6803 具 1.5mV 的分辨率，準(zhǔn)確度為 4.3mV。這將允許該控制器就電池狀態(tài)做出準(zhǔn)確決策，而不論使用的是什么樣的電池化學(xué)組成。其次，電池組不平衡的一個(gè)主要來源是，電池監(jiān)視電路本身的電源和備用電流的差異。在汽車應(yīng)用中，備用電流尤其重要，因?yàn)榇蠖鄶?shù)汽車在大部分時(shí)間里都是熄火的，這時(shí)電池監(jiān)視系統(tǒng)處于備用模式。LTC6803 僅具 12uA 備用電流，電流范圍規(guī)定為 6uA 至 18uA，從而可保證在一個(gè)大型電池組中，最嚴(yán)重的不平衡為 12uA，這使每月不平衡低于 10mAhr。有兩個(gè) ADC 輸入可用來監(jiān)視電池溫度或其他的傳感器數(shù)據(jù)。圖 1 中顯示的設(shè)計(jì)用 Vtemp1 輸入測(cè)量電池電流。電流用 LT1999 測(cè)量。LT1999 是一款高壓雙向電流檢測(cè)放大器，具 -5V 至 80V 的輸入范圍，而且在本文所述測(cè)試情況下，設(shè)置為監(jiān)視電池組高壓端的 ±10A。LTC6803 上的兩個(gè) GPIO 引腳用來控制一個(gè)有源負(fù)載和一個(gè)充電器。當(dāng)充電結(jié)束或達(dá)到放電點(diǎn)時(shí)，這允許 LTC6803 斷開電池與充電器或負(fù)載的連接。
　　
　　圖 1：6 節(jié)電池監(jiān)視系統(tǒng)的簡(jiǎn)化原理圖。LTC6803 測(cè)量電池電壓并
　　控制外部電池放電晶體管。LT1999 測(cè)量至電池組的充電和放電電流。
　　平衡硬件
　　利用跨電池組中每一節(jié)電池的旁路電阻器和開關(guān)實(shí)現(xiàn)無源平衡硬件。平衡電阻器的使用一般采用兩種方式之一 （圖 2）。電阻器可用來導(dǎo)引充電電流繞過電池，以便具較低充電狀態(tài) （SOC） 的電池能以較高的速率保持充電，而不會(huì)使具有高 SOC 的電池有過充電和損壞的風(fēng)險(xiǎn)。該電阻器也可用來使具較高充電狀態(tài)的電池泄放過多的電荷，以使這些電池與具較低 SOC 的電池實(shí)現(xiàn)均衡。
　　
　　圖 2：無源電池平衡的兩種選擇。電阻值決定主要功能
　　硬件設(shè)計(jì)的主要關(guān)注之處是確定合適的平衡電流，該電流由所用旁路電阻器的值設(shè)定。所需的平衡電流大部分取決于電池的容量、可允許的平衡時(shí)間、預(yù)期的不平衡程度以及電阻器將怎樣使用。如果電阻器用來旁路充電器的電流，那么它將設(shè)定為分流幾個(gè)安培的電流。如果平衡電阻器用來泄放過多的電荷，那么該電阻器的大小要滿足所希望的平衡時(shí)間。無源平衡僅能糾正源自電池組加載的 SOC 不平衡，而電池組加載則是由電池監(jiān)視電路、電池本身放電以及內(nèi)部電阻效應(yīng)引起的。如果持續(xù)監(jiān)視，那么這些 SOC 不平衡的來源每天應(yīng)該僅產(chǎn)生少量的不平衡。用于這次實(shí)驗(yàn)室評(píng)估的電池監(jiān)視系統(tǒng)采用了一個(gè) 33Ω 的平衡電阻器，該電阻器設(shè)定大約 100mA 的平衡電流，就小型電池而言，這一平衡電流很大，但是這樣的平衡電流允許平衡操作用更短的時(shí)間來完成。