【浩博电池资讯】锂电池组的主动电荷平衡

电池体系架构
　　多年以来，镍镉电池和随后呈现的镍氢电池技术一向占据市场主导地位。锂电池仅仅最近几年才进入市场。然而，凭仗其突出的优越性能，其市场份额迅速攀升。锂电池具有惊人的蓄能容量，但单个电池的电压和电流都太低，不足以满意混合动力电机的需求。为增加电流需将多个电池并联起来，为取得更高的电压，则要把多个电池串联起来。
　　电池生产商通常以相似“3P 50S”字样的缩写词来描绘电池的排列办法，“3P 50S”代表3个电池并联和50个电池串联。
　　关于有多个电池串联而言，模块化结构是电池办理的理想选择。例如，将多达12个电池串联起来，组成3P 12S阵列中的一个电池块（block）。这些电池的电荷由一个带有微处理器的电子电路进行办理和平衡。电池块的输出电压由串联电池的数量和电池电压决定。单个锂电池的电压一般介于3.3～3.6V之间，因而相应电池块的输出电压介于30～45V之间。
　　混合动力汽车驱动需求450V左右的直流电源电压。为了补偿因荷电状况不同而引起的电池电压差异，在电池组和电机驱动设备之间衔接一个DC/DC转化器。该转化器还可限流。
　　为使DC/DC转化器达到最佳作业状况，电池组的电压应坚持在150～300V之间。为此，需求将5～8个电池块串联在一起。
平衡的必要性
　　一旦电压超出允许规模，锂电池很容易被损坏（见图1）。假如超出电压的上限和下限（例如，nanophosphate锂电池的电压上限和下限分别为3.6V和2V），电池就或许会受到不可逆的损坏，至少也会增加电池的自放电率。在相当宽的荷电状况规模内，输出电压能够坚持稳定，因而正常状况下超出安全规模的或许性比较小。但是，在挨近安全规模上限和下限的区域，变化曲线十分峻峭。作为预防办法，仔细监测电压水平十分必要。

图1锂电池(nanophosphate型)的放电特性

　　当电池电压挨近临界值时，有必要立即中止放电或充电。平衡电路的功用便是调节相应电池的电压，使其坚持在安全区域。为了达到这个意图，当电池组中任一电池的电压与其他电池不一起，就有必要将能量在电池之间进行转移。
电荷平衡
　　1 传统的被迫平衡办法
　　在惯例电池办理体系中，每个电池均经过开关与一个负载电阻相连。被迫式平衡电路能够对指定电池独自放电，但这种办法只能在充电形式下按捺电压最高的电池的电压上升。为了限制功耗，一般选用100mA内的小电流，这或许导致需求数小时才干完成电荷平衡。
　　2 自动平衡
　　现有文献资料中介绍了几种自动电荷平衡办法，这些办法运用蓄能元件转移能量。假如选用电容器作为蓄能元件，则需求许多开关元件将蓄能电容与一切电池衔接。相对而言，选用磁场来存储能量的功率更高，这种电路的中心器件是变压器。英飞凌项目组经过与VOGT电子器件有限公司（VOGT electronic Components GmbH）合作开发出了相应的原型，它能够用于：
　　在电池之间转移能量
　　将多个电池电压复用，作为基于地电压的模数转化输入
　　其结构原理是运用反激转化器（flyback converter）。这种变压器以磁场存储能量，在磁芯中有一个空隙，以提高磁阻，防止磁芯材料磁饱满。
　　变压器有两个不同的绕组：
　　主绕组与电池组相连
　　次绕组与电池相连

图2 电池办理模块主电路

　　可行的变压器模型可支撑12个电池。其限制要素是或许衔接数量。 本文所述的变压器原型有28个引脚。
　　开关选用OpTIMOS 3系列中的MOSFET，它们具有极低的导通电阻，所发生的传导损耗能够忽略不计。
　　每个电池块由英飞凌的8位微操控器XC886CLM操控，该操控器具有闪存和32KB的数据存储器；两个硬件CAN接口支撑选用普通汽车操控器局域网（CAN）总线协议进行通信，降低了处理器的负荷；硬件乘除算法单元（MDU）提高了运算速度。
平衡办法
　　由于变压器能够双向运用，咱们能够根据状况选用两种不同的平衡办法。操控电路首要逐一检测一切电池的电压，计算出均匀值，然后找出电压与均匀值误差最大的电池。假如该电池的电压低于均匀值，则选用下限平衡（bottom-balancing）办法；假如高于均匀电压，则运用上限平衡（top-balancing）办法。
　　1 下限平衡
　　图3显示了需求选用下限平衡办法的景象，其中2号电池被承认为电压最低的电池，需求弥补电量。
　　闭合主绕组开关，电池组向变压器充电。然后断开主绕组开关，闭合相应的次绕组开关（本例中为2号次绕组开关），变压器贮存的能量转移到指定的电池上。

图3下限平衡原理

　　每个周期由2个自动脉冲和1个间隔组成。本例中的周期为40ms，对应的频率为25kHz。变压器的设计作业频率应高于20kHz，以防止由于变压器磁芯的磁弹性发生的噪声。
　　在某个电池的荷电状况达到下限时，下限平衡办法能够延伸电池组的作业时间。只需流出电池组的电流低于均匀平衡电流，车辆就能够持续行驶，直至耗尽最终一个电池的电量。

2 上限平衡
　　假如某个电池的电压高于其他电池，就需求将剩余能量从该电池移走，这在充电形式下特别必要。假如没有平衡功用，那么在第一个电池充满后有必要立即中止充电。平衡功用使得一切电池的电压维持在同一水平，从而防止上述状况的发生。
　　图4所示的例子说明了上限平衡形式下的能量活动状况。在电压检测后，承认5号电池是电池组中电压最高的电池。闭合5号次绕组开关，电流由5号电池流向变压器。由于电感效应，电流随时间线性增大。鉴于电感是变压器的固定特性，最大电流值由开关闭合的时间决定。从5号电池中转移出来的能量被存储在变压器的磁场中。断开5号次绕组开关，闭合主绕组开关，此刻变压器转入发电机作业形式，能量经过大型主绕组馈入电池组。

图4上限平衡原理

　　上限平衡作业形式下的电流和时序与下限平衡相似，仅仅作业次第和电流的流向与之相反。
平衡功率
　　选用英飞凌E-Cart中的原型配置，均匀平衡点六位5A，比被迫办法高50倍，而5A平衡电流在整个电池块中发生的功耗仅为2W。因而，这种平衡办法不需求采取专门的冷却办法，一起改善了体系的能量平衡。
电压检测
　　为了对每个电池的荷电状况进行办理，每个电池的电压都要加以丈量。由于只要1号电池处于微操控器模数转化规模内，因而不能直接丈量电池块中其他电池的电压。一种或许的方案是选用差分放大器阵列，但这需求坚持整个电池块的电压水平。
　　下面提出一种只需添加少量硬件就能够检测一切电池电压的办法。变压器的主要作用是电荷平衡，但一起咱们也可将它作为多路复用器运用。在电压检测形式下，变压器的反激形式没有被运用。当S1至SN开关中的某一个闭合时，所接通的电池的电压被传输至变压器的一切绕组。经过一个分立滤波器简略的预处理，检测信号被输入至微操控器ADC输入管脚。
　　S1至SN中的任一开关闭合时所发生的检测脉冲的持续时间十分时间短，实践的导通时间或许只要4μs，因而变压器中存储的能量并不多。当该开关断开后，磁场中存储的能量将经过主晶体管馈回整个电池块，因而电池块的能量不受影响。对悉数电池扫描一遍后，一个扫描周期结束，体系回到初始状况。