锂離子電池組充電主動均衡方法

TIME: 2021-04-17 新聞資訊

锂離子電池組充電主動均衡系統架構

锂離子電池由于其性能有极大提高，因此其市场份额增长非常迅速。锂離子電池的储能容量非常惊人，但即便如此，单个电池单元的容量不论从电压还是从电流方面仍都太低，不能满足一个混合动力发动机的需要。并联多个电池单元可以增大电池所提供的电流，串联多个电池单元则可以增大电池提供的电压。电池组装商通常利用一些缩略短语来描述其电池产品，例如“3P50S”代表该电池组中有3个并联的电池单元、50个串联的电池单元。模块化结构在对包含多个串联电池单元的电池进行管理时是很理想的结构。例如，在一个3P12S的电池阵列中，每12个电池单元串联之后就组成了一个模块(block)。然后，这些电池单元就可通过一块以微控制器为核心的电子电路对其进行管理和平衡。这样一个电池模块的输出电压取决于串联电池单元的个数和每个电池单元的电压。锂離子電池单元的电压通常在3.3V到3.6V之间，因此一个电池模块的电压约在30V到45V之间。

混合動力車的驅動需要450V左右的直流電源電壓。爲了根據充電狀態來補償電池單元電壓的變化，比較合適的做法是在電池組和發動機之間連接一個DC-DC轉換器。這個轉換器還可以限制電池組輸出的電流。爲確保DC-DC轉換器工作在最佳狀態，要求電池組電壓在150V到300V之間。因此，需要串聯5到8個電池模塊。

平衡的必要性

如果电压超出允许的范围，锂離子電池单元就很容易损坏。如果电压超出了上、下限(以纳米磷酸盐型锂離子電池为例，下限电压为2V，上限电压为3.6V)，电池就可能出现不可逆转的损坏。其结果至少是加快电池的自放电速度。电池输出电压在一个很宽的充电状态(SOC)范围内都是稳定的，电压偏离安全范围的风险很小。但在安全范围的两端，充电曲线的起伏相对比较陡峭。因此，为预防起见，必须严密监控电压。

如果電壓達到一個臨界值，就必需立即停止放電或充電過程。在一個強大的平衡電路的幫助下，相關電池單元的電壓可以返回安全範圍內。但爲達到這一目的，該電路必需能在電池組中任何一個單元的電壓開始與其他單元出現差異時馬上在各單元之間轉移能量。

充電平衡法

1.傳統的被動方法：在一般的電池管理系統中，每個電池單元都通過一個開關連接到一個負載電阻。這種被動電路可以對個別被選中的單元放電。但該方法只適用于在充電模式下抑制最強電池單元的電壓攀升。爲限制功耗，此類電路一般只允許以100mA左右的小電流放電，從而導致充電平衡耗時可高達幾小時。

2.主動平衡法：相關資料中有很多種主動平衡法，均需要一個用于轉移能量的存儲元件。如果用電容來做存儲元件，將其與所有電池單元相連就需要龐大的開關陣列。更有效的方法是將能量存儲在一個磁場中。

在電池單元之間轉移能量

將多個單獨的電池單元電壓複接至一個基于地電壓的模數轉換器(ADC)輸入端

該電路是按照回掃變壓器原理構造的。這類變壓器能夠將能量存儲在磁場中。其鐵氧體磁心中的氣隙增大了磁阻，因此可以避免磁心材料出現磁飽和。該變壓器兩側的電路是不同的：

初級線圈與整個電池組相連

次級線圈與每個電池單元相連

由于變壓器可以雙向工作，因此我們可以根據情況采取兩種不同的平衡方法。在對所有電池單元進行電壓掃描之後(電壓掃描的細節將在後面介紹)，計算平均值，然後檢查電壓偏離平均值最大的電池單元。如果其電壓低于平均值，就采用底部平衡法(bottom-balancing)，如果其電壓高于平均值，就采用頂部平衡法(top-balancing)。

1.底部平衡法：采用的底部平衡法對電池單元最弱的單元，必須對其進行增強。電池組開始對最弱的單元充電，能量就可以轉移至選定的弱電池單元。

每個周期均包含兩個主動脈沖和一個暫停。在本例中，40毫秒的周期轉換爲頻率就是25kHz。在設計變壓器時，其工作頻段應在20kHz以上，以避免出現人類聽覺頻率範圍內可感知的嘯叫噪音。這種聲音是由變壓器鐵氧體磁心的磁致伸縮導致的。

尤其是當某個電池單元的電壓已經達到SoC的下限時，底部平衡法能夠幫助延長整個電池組的工作時間。只要電池組提供的電流低于平均平衡電流，車輛就能繼續工作，直到最後一塊電池單元也被耗盡。

2.頂部平衡法：如果某個電池單元的電壓高于其他單元，那麽就需要將其中的能量導出，這在充電模式下尤其必要。如果不進行平衡，充電過程在第一塊電池單元充滿之後就不得不立即停止。采用平衡之後則可以通過保持所有電池單元的電壓相等而避免發生過早停止充電的情況。

整個電池組中電壓最高的單元，電流從電池流向變壓器，由于自感的存在，電流隨時間線性增大。而由于自感是變壓器的一個固有特性，因此開關的導通時間就決定了能夠達到的最大電流值。電池單元中轉移出的能量以磁場的形式得到存儲。在開關斷開後，必須閉合主開關。此時，變壓器就從儲能模式進入了能量輸出模式。能量通過巨大的初級線圈送入整個電池組。

頂部平衡法中的電流和時序條件與底部平衡法非常類似，只是順序和電流的方向與底部平衡法相反。

爲了管理每個電池單元的充電狀態，必須測量它們各自的電壓。由于只有單元1在微控制器的ADC範圍內，因此模塊中其他單元的電壓無法直接測量。一種可能的方案是采用一組差分放大器陣列，而且它們必須支持整個電池模塊的電壓。

下文中描述的方法只需增加很少量的額外硬件就能測量所有電池單元的電壓。在該方法中，主要任務是進行充電平衡的變壓器同時也被用做一個複用器。

在電壓掃描模式中沒有使用變壓器的回掃模式。當S1到Sn這些開關中有一個閉合時，與其相連的電池單元的電壓就轉換到變壓器的所有繞組中。

在經過一個離散濾波器的簡單預處理之後，被測信號就被送入微控制器的ADC輸入端口。開關S1到Sn中的某個開關閉合時所産生的測量脈沖持續時間可能非常短，實際導通時間爲4us。因此，通過這個脈沖存儲至變壓器中的能量很少。而且無論如何在開關斷開之後，存儲在磁場中的能量都會通過初級晶體管流回整個電池模塊。因此電池模塊的能量多少並不受影響。在對所有電池單元進行完一個周期的掃描之後，系統又回到初始狀態。

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