关于锂离子电池组的主动充电平衡法解析
来源：宝鄂实业
2019-12-06 20:38
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电池体系架构
镍镉电池与随后呈现的镍氢电池多年来一向主宰着电池市场。锂离子电池是最近才进入市场的，但因为其功能有极大提高，因而其市场份额增长十分敏捷。锂离子电池的储能容量十分惊人，但即便如此，单个电池单元的容量不管从电压还是从电流方面仍都太低，不能满意一个混合动力发动机的需求。并联多个电池单元可以增大电池所供给的电流，串联多个电池单元则可以增大电池供给的电压。
电池组装商一般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。
模块化结构在对包括多个串联电池单元的电池进行办理时是很抱负的结构。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，这些电池单元就可经过一块以微控制器为核心的电子电路对其进行办理和平衡。
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。锂离子电池单元的电压一般在3.3V到3.6V之间，因而一个电池模块的电压约在30V到45V之间。
混合动力车的驱动需求450V左右的直流电源电压。为了根据充电状况来补偿电池单元电压的变化，比较合适的做法是在电池组和发动机之间衔接一个DC-DC转换器。这个转换器还可以约束电池组输出的电流。
为确保DC-DC转换器作业在最佳状况，要求电池组电压在150V到300V之间。因而，需求串联5到8个电池模块。
平衡的必要性
假如电压超出答应的规模，锂离子电池单元就很简单损坏(见图2)。假如电压超出了上、下限(以纳米磷酸盐型锂离子电池为例，下限电压为2V，上限电压为3.6V)，电池就或许呈现不可逆转的损坏。其结果至少是加速电池的自放电速度。电池输出电压在一个很宽的充电状况(SOC)规模内都是安稳的，电压违背安全规模的危险很小。但在安全规模的两头，充电曲线的崎岖相对比较峻峭。因而，为防备起见，有必要严密监控电压。
假如电压到达一个临界值，就必需当即中止放电或充电进程。在一个强壮的平衡电路的协助下，相关电池单元的电压可以返回安全规模内。但为到达这一意图，该电路必需能在电池组中任何一个单元的电压开端与其他单元呈现差异时立刻在各单元之间搬运能量。
充电平衡法
1.传统的被迫办法：在一般的电池办理体系中，每个电池单元都经过一个开关衔接到一个负载电阻。这种被迫电路可以对个别被选中的单元放电。但该办法只适用于在充电形式下抑制最强电池单元的电压攀升。为约束功耗，此类电路一般只答应以100mA左右的小电流放电，从而导致充电平衡耗时可高达几小时。
2.自动平衡法：相关资料中有很多种自动平衡法，均需求一个用于搬运能量的存储元件。假如用电容来做存储元件，将其与一切电池单元相连就需求巨大的开关阵列。更有效的办法是将能量存储在一个磁场中。该电路中的要害元件是一个变压器。电路原型是由英飞凌的开发小组与VOGT电子元件GmbH公司共同开发的。其作用是：
a. 在电池单元之间搬运能量
b. 将多个独自的电池单元电压复接至一个根据地电压的模数转换器(ADC)输入端
该电路是依照回扫变压器原理结构的。这类变压器可以将能量存储在磁场中。其铁氧体磁心中的气隙增大了磁阻，因而可以避免磁心资料呈现磁饱和。
该变压器两边的电路是不同的：
a. 初级线圈与整个电池组相连
b. 次级线圈与每个电池单元相连
该变压器的一种有用模型支撑多达12个电池单元。变压器的或许衔接数量约束了电池单元的个数。上述原型变压器有28个引脚。
其中的开关选用OptiMOS3系列的MOSFET，它们的导通电阻极低，因而其传导损耗可以忽略不计(见图3)。
图中的每个模块都受英飞凌公司的8位先进微控制器XC886CLM控制。这种微控制器自带闪存程序和一个32KB的数据存储器。此外，它还有两个根据硬件的CAN接口，支撑经过公共汽车控制器局域网(CAN)总线协议与下面的处理器负载通讯。它还包括一个根据硬件的乘除法单元，可用于加速核算进程。
平衡办法
因为变压器可以双向作业，因而我们可以根据状况采纳两种不同的平衡办法。在对一切电池单元进行电压扫描之后(电压扫描的细节将在后边介绍)，核算均匀值，然后查看电压违背均匀值最大的电池单元。假如其电压低于均匀值，就选用底部平衡法(bottom-balancing)，假如其电压高于均匀值，就选用顶部平衡法(top-balancing)。
1.底部平衡法：图4所示比如就是选用的底部平衡法。扫描发现电池单元2是最弱的单元，有必要对其进行增强。
此刻闭合主开关(“prim”)，电池组开端对变压器充电。主开关断开后，变压器存储的能量就可以搬运至选定的电池单元。相应的次级(“sec”)开关——在本例中是开关sec2——闭合后，就开端能量搬运。
每个周期均包括两个自动脉冲和一个暂停。在本例中，40毫秒的周期转换为频率就是25kHz。在设计变压器时，其作业频段应在20kHz以上，以避免呈现人类听觉频率规模内可感知的啸叫噪音。这种声音是由变压器铁氧体磁心的磁致弹性导致的。
特别是当某个电池单元的电压现已到达SoC的下限时，底部平衡法可以协助延长整个电池组的作业时刻。只要电池组供给的电流低于均匀平衡电流，车辆就能持续作业，直到最终一块电池单元也被耗尽。
2.顶部平衡法：假如某个电池单元的电压高于其他单元，那么就需求将其中的能量导出，这在充电形式下特别必要。假如不进行平衡，充电进程在第一块电池单元充满之后就不得不当即中止。选用平衡之后则可以经过坚持一切电池单元的电压持平而避免发生过早中止充电的状况。
图5给出了顶部平衡形式下的能量流动状况。在电压扫描之后，发现电池单元5是整个电池组中电压最高的单元。此刻闭合开关sec5，电流从电池流向变压器。因为自感的存在，电流随时刻线性增大。而因为自感是变压器的一个固有特性，因而开关的导通时刻就决议了可以到达的最大电流值。电池单元中搬运出的能量以磁场的形式得到存储。在开关sec5断开后，有必要闭合主开关。此刻，变压器就从储能形式进入了能量输出形式。能量经过巨大的初级线圈送入整个电池组。
依照英飞凌E-Cart中的原型装备，均匀平衡电流可达5A，比被迫平衡法的电流高50倍。在5A的平衡电流下，整个模块的功耗仅2W，因而无需专门的冷却措施，并且进一步改善了体系的能量平衡。
为了办理每个电池单元的充电状况，有必要丈量它们各自的电压。因为只要单元1在微控制器的ADC规模内，因而模块中其他单元的电压无法直接丈量。一种或许的计划是选用一组差分放大器阵列，并且它们有必要支撑整个电池模块的电压。
下文中描述的办法只需添加很少量的额外硬件就能丈量一切电池单元的电压。在该办法中，主要使命是进行充电平衡的变压器一起也被用做一个复用器。
在电压扫描形式中没有使用变压器的回扫形式。当S1到Sn这些开关中有一个闭合时，与其相连的电池单元的电压就转换到变压器的一切绕组中。
在经过一个离散滤波器的简单预处理之后，被测信号就被送入微控制器的ADC输入端口。开关S1到Sn中的某个开关闭合时所发生的丈量脉冲持续时刻或许十分短，实际导通时刻为4us。因而，经过这个脉冲存储至变压器中的能量很少。并且无论如何在开关断开之后，存储在磁场中的能量都会经过初级晶体管流回整个电池模块。因而电池模块的能量多少并不受影响。在对一切电池单元进行完一个周期的扫描之后，体系又回到初始状况。
