關于鋰離子電池組的主動充電平衡法解析
來源：寶鄂實業(yè)
2019-12-06 20:38
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電池體系架構
鎳鎘電池與隨后呈現(xiàn)的鎳氫電池多年來一向主宰著電池市場。鋰離子電池是最近才進入市場的，但因為其功能有極大提高，因而其市場份額增長十分敏捷。鋰離子電池的儲能容量十分驚人，但即便如此，單個電池單元的容量不管從電壓還是從電流方面仍都太低，不能滿意一個混合動力發(fā)動機的需求。并聯(lián)多個電池單元可以增大電池所供給的電流，串聯(lián)多個電池單元則可以增大電池供給的電壓。
電池組裝商一般利用一些縮略短語來描述其電池產品，例如“3P50S”代表該電池組中有3個并聯(lián)的電池單元、50個串聯(lián)的電池單元。
模塊化結構在對包括多個串聯(lián)電池單元的電池進行辦理時是很抱負的結構。例如，在一個3P12S的電池陣列中，每12個電池單元串聯(lián)之后就組成了一個模塊(block)。然后，這些電池單元就可經過一塊以微控制器為核心的電子電路對其進行辦理和平衡。
這樣一個電池模塊的輸出電壓取決于串聯(lián)電池單元的個數(shù)和每個電池單元的電壓。鋰離子電池單元的電壓一般在3.3V到3.6V之間，因而一個電池模塊的電壓約在30V到45V之間。
混合動力車的驅動需求450V左右的直流電源電壓。為了根據充電狀況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(fā)動機之間銜接一個DC-DC轉換器。這個轉換器還可以約束電池組輸出的電流。
為確保DC-DC轉換器作業(yè)在最佳狀況，要求電池組電壓在150V到300V之間。因而，需求串聯(lián)5到8個電池模塊。
平衡的必要性
假如電壓超出答應的規(guī)模，鋰離子電池單元就很簡單損壞(見圖2)。假如電壓超出了上、下限(以納米磷酸鹽型鋰離子電池為例，下限電壓為2V，上限電壓為3.6V)，電池就或許呈現(xiàn)不可逆轉的損壞。其結果至少是加速電池的自放電速度。電池輸出電壓在一個很寬的充電狀況(SOC)規(guī)模內都是安穩(wěn)的，電壓違背安全規(guī)模的危險很小。但在安全規(guī)模的兩頭，充電曲線的崎嶇相對比較峻峭。因而，為防備起見，有必要嚴密監(jiān)控電壓。
假如電壓到達一個臨界值，就必需當即中止放電或充電進程。在一個強壯的平衡電路的協(xié)助下，相關電池單元的電壓可以返回安全規(guī)模內。但為到達這一意圖，該電路必需能在電池組中任何一個單元的電壓開端與其他單元呈現(xiàn)差異時立刻在各單元之間搬運能量。
充電平衡法
1.傳統(tǒng)的被迫辦法：在一般的電池辦理體系中，每個電池單元都經過一個開關銜接到一個負載電阻。這種被迫電路可以對個別被選中的單元放電。但該辦法只適用于在充電形式下抑制最強電池單元的電壓攀升。為約束功耗，此類電路一般只答應以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.自動平衡法：相關資料中有很多種自動平衡法，均需求一個用于搬運能量的存儲元件。假如用電容來做存儲元件，將其與一切電池單元相連就需求巨大的開關陣列。更有效的辦法是將能量存儲在一個磁場中。該電路中的要害元件是一個變壓器。電路原型是由英飛凌的開發(fā)小組與VOGT電子元件GmbH公司共同開發(fā)的。其作用是：
a. 在電池單元之間搬運能量
b. 將多個獨自的電池單元電壓復接至一個根據地電壓的模數(shù)轉換器(ADC)輸入端
該電路是依照回掃變壓器原理結構的。這類變壓器可以將能量存儲在磁場中。其鐵氧體磁心中的氣隙增大了磁阻，因而可以避免磁心資料呈現(xiàn)磁飽和。
該變壓器兩邊的電路是不同的：
a. 初級線圈與整個電池組相連
b. 次級線圈與每個電池單元相連
該變壓器的一種有用模型支撐多達12個電池單元。變壓器的或許銜接數(shù)量約束了電池單元的個數(shù)。上述原型變壓器有28個引腳。
其中的開關選用OptiMOS3系列的MOSFET，它們的導通電阻極低，因而其傳導損耗可以忽略不計(見圖3)。
圖中的每個模塊都受英飛凌公司的8位先進微控制器XC886CLM控制。這種微控制器自帶閃存程序和一個32KB的數(shù)據存儲器。此外，它還有兩個根據硬件的CAN接口，支撐經過公共汽車控制器局域網(CAN)總線協(xié)議與下面的處理器負載通訊。它還包括一個根據硬件的乘除法單元，可用于加速核算進程。
平衡辦法
因為變壓器可以雙向作業(yè)，因而我們可以根據狀況采納兩種不同的平衡辦法。在對一切電池單元進行電壓掃描之后(電壓掃描的細節(jié)將在后邊介紹)，核算均勻值，然后查看電壓違背均勻值最大的電池單元。假如其電壓低于均勻值，就選用底部平衡法(bottom-balancing)，假如其電壓高于均勻值，就選用頂部平衡法(top-balancing)。
1.底部平衡法：圖4所示比如就是選用的底部平衡法。掃描發(fā)現(xiàn)電池單元2是最弱的單元，有必要對其進行增強。
此刻閉合主開關(“prim”)，電池組開端對變壓器充電。主開關斷開后，變壓器存儲的能量就可以搬運至選定的電池單元。相應的次級(“sec”)開關——在本例中是開關sec2——閉合后，就開端能量搬運。
每個周期均包括兩個自動脈沖和一個暫停。在本例中，40毫秒的周期轉換為頻率就是25kHz。在設計變壓器時，其作業(yè)頻段應在20kHz以上，以避免呈現(xiàn)人類聽覺頻率規(guī)模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彈性導致的。
特別是當某個電池單元的電壓現(xiàn)已到達SoC的下限時，底部平衡法可以協(xié)助延長整個電池組的作業(yè)時刻。只要電池組供給的電流低于均勻平衡電流，車輛就能持續(xù)作業(yè)，直到最終一塊電池單元也被耗盡。
2.頂部平衡法：假如某個電池單元的電壓高于其他單元，那么就需求將其中的能量導出，這在充電形式下特別必要。假如不進行平衡，充電進程在第一塊電池單元充滿之后就不得不當即中止。選用平衡之后則可以經過堅持一切電池單元的電壓持平而避免發(fā)生過早中止充電的狀況。
圖5給出了頂部平衡形式下的能量流動狀況。在電壓掃描之后，發(fā)現(xiàn)電池單元5是整個電池組中電壓最高的單元。此刻閉合開關sec5，電流從電池流向變壓器。因為自感的存在，電流隨時刻線性增大。而因為自感是變壓器的一個固有特性，因而開關的導通時刻就決議了可以到達的最大電流值。電池單元中搬運出的能量以磁場的形式得到存儲。在開關sec5斷開后，有必要閉合主開關。此刻，變壓器就從儲能形式進入了能量輸出形式。能量經過巨大的初級線圈送入整個電池組。
依照英飛凌E-Cart中的原型裝備，均勻平衡電流可達5A，比被迫平衡法的電流高50倍。在5A的平衡電流下，整個模塊的功耗僅2W，因而無需專門的冷卻措施，并且進一步改善了體系的能量平衡。
為了辦理每個電池單元的充電狀況，有必要丈量它們各自的電壓。因為只要單元1在微控制器的ADC規(guī)模內，因而模塊中其他單元的電壓無法直接丈量。一種或許的計劃是選用一組差分放大器陣列，并且它們有必要支撐整個電池模塊的電壓。
下文中描述的辦法只需添加很少量的額外硬件就能丈量一切電池單元的電壓。在該辦法中，主要使命是進行充電平衡的變壓器一起也被用做一個復用器。
在電壓掃描形式中沒有使用變壓器的回掃形式。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一切繞組中。
在經過一個離散濾波器的簡單預處理之后，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發(fā)生的丈量脈沖持續(xù)時刻或許十分短，實際導通時刻為4us。因而，經過這個脈沖存儲至變壓器中的能量很少。并且無論如何在開關斷開之后，存儲在磁場中的能量都會經過初級晶體管流回整個電池模塊。因而電池模塊的能量多少并不受影響。在對一切電池單元進行完一個周期的掃描之后，體系又回到初始狀況。
