锂电池组的主动电荷平衡技术

1、锂电池组的主动电荷平衡技术电池系统架构多年以来，银镉电池和随后出现的磔氢屯池技术一直占据市场主导地位。锂电 池只是最近儿年才进入市场。然而，凭借其突出的优越性能，其市场份额迅速攀升。 锂电池具冇惊人的蓄能容量，但单个电池的电压和电流都太低 不足以满足混合动 力电机的需要。为增加电流需将多个电池并联起来，为获得更高的电压，则要把多 个屯池串联起来。电池生产商通常以类似、'3p 50s"字样的缩写词来描述电池的排列方式，''3p 50s代表3个电池并联和50个电池串联。对于有多个电池吊联而言，模块化结构是电池管理的理想选择。例如，将多达 12个电池串联起来，组成3

2、p 12s阵列中的一个电池块（block）。这些电池的屯 荷由一个带有微处理器的电子电路进行管理和平衡。电池块的输出电压出串联电池 的数量和电池电压决定。单个锂电池的屯压一般介t3.33.6v之间，因此相应电 池块的输出电压介于3045v z间。混合动力汽车驱动需要450v左右的直流电源电压。为了补偿因荷电状态不同 而引起的电池电压差异，在电池组和电机驱动装置之间连接一个dc/dc转换器。 该转换器还可限流。为使dc/dc转换器达到最佳工作状态，电池纽的电压应保持在150300v z间。为此，需要将58个电池块串联在一起。平衡的必耍性一旦电压超出允许范围，锂电池很容易被损坏（见图1）。如果超出

3、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）, 电池就可能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 状态范国内，输出电压可以保持稳定，因此止常情况下超出安全范围的可能性比较 小。但是，在接近安全范围上限和下限的区域，变化illi线非常陡悄。作为预防措施, 仔细监测电压水平非常必耍。(>£耳4.0-3.0-2.0-1.0-0.51.01.5电容(ah)2.0稈t«界a wzd u0m、enrisk of damageallowed arearisk of damage图1锂电池(nanophosp

4、hate型)的放电特性当电池电压接近临界值时，必须立即停止放电或充电。平衡电路的功能就是调 节相应电池的电压，使其保持在安全区域。为了达到这个目的，当电池组屮任一电 池的电压与其他电池不同时，就必须将能量在电池之间进行转移。电荷平衡1传统的被动平衡方式在常规电池管理系统屮，每个电池均通过开关与一个负载电阻相连。被动式平 衡电路可以对指定电池单独放电，但这种方式只能在充电模式下抑制电压最高的电 池的电压上升。为了限制功耗，一般采用100ma内的小电流，这可能导致需要数 小时才能完成电荷平衡。2主动平衡现有文献资料中介绍了几种主动电荷平衡方法，这些方法利用蓄能元件转移能 量。如果采用电容器作为蓄能

5、元件，则需要许多开关元件将蓄能电容与所有电池连 接。相对而言，釆用磁场来存储能量的效率更高，这种电路的核心器件是变压器。 英飞凌项口组通过与vogt电子器件有限公司(vogt electronic components gmbh)合作开发出了相应的原型，它可以用于：在电池z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换输入其构造原理是使用反激转换器(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，避免磁芯材料磁饱和。变压器有两个不同的绕纽：主绕组与电池组相连次绕组与电池相连y block *图2电池管理模块主电路可行的变压器模型可支持1

6、2个电池。其限制因素是可能连接数量。本文所述 的变压器原型有28个引脚。开关采用optim0s3系列屮的mosfet,它们具有极低的导通电阻，所产生 的传导损耗可以忽略不计。每个电池块由英e凌的8位微控制器xc886clm控制，该控制器具有闪存和 32kb的数据存储器；两个硬件can接口支持采用普通汽车控制器丿域网(can) 总线协议进行通信，降低了处理器的负荷；硕件乘除算法单元(mdu)提高了运算 速度。平衡方式由于变压器叮以双向使用，我们可以根据情况采用两种不同的平衡方式。控制 电路首先逐个检测所有电池的电压，计算出平均值，然后找出电压与平均值偏差最 大的电池。如果该电池的电压低于平均值，

7、则采用下限平衡(bottom-balancing) 方法;如果高于平均电压,则使用上限平衡(top-balancing)方法。1下限平衡图3显示了需要采用下限平衡方法的情形，其屮2号电池被确认为电压最低的 电池，需要补充电量。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），变压器储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个主动脉冲和1个间隔组成。木例中的周期为40ms,对应的频 率为25khzo变压器的设计工作频率应高于20kh乙以避免由于变压器磁芯的磁 弹性产生的噪声。在某个电池的荷电状态达到下限时，下限平衡方法可以延

8、长电池组的工作时间。 只要流出电池组的电流低于平均平衡电流，车辆就可以继续行驶，直至耗尽最后一 个电池的电量。2上限平衡如呆某个电池的电压高于其他电池，就需要将多余能量从该电池移走，这在充 电模式下尤其必要。如果没有平衡功能，那么在笫一个电池充满后必须立即停止充 电。平衡功能使得所有电池的电压维持在同一水平，从而避免上述情况的发生。图4所示的例子说明了上限平衡模式下的能量流动情况。在电压检测后，确认 5号电池是电池组屮电压最高的电池。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，电流随时间线性增人。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号电池屮转移出

9、來的能量被存储在变压器的 磁场中。断开5号次绕组开关，闭合主绕组廿关，此时变压器转入发电机工作模式, 能量通过大熨主绕组馈入电池组。图4上限平衡原理上限平衡丁作模式下的电流和时序与下限平衡类似，只是工作次序和电流的流 向与之相反。平衡功率釆用英飞凌e-cart中的原型配置，平均平衡点六位5a,比被动方式高50倍, 而5a平衡电流在整个电池块中产生的功耗仅为2wo因此，这种平衡方式不需要 采取专门的冷却措施，同时改善了系统的能量平衡。电压检测为了对每个电池的荷电状态进行管理，每个电池的电压都要加以测量。由于只 有1号电池处丁微控制器模数转换范国内，因此不能直接测量电池块中其他电池的 电压。一种可能的方案是采用差分放大器阵列，但这需要保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可以检测所有电池电压的方法。变压器的主 要作用是电荷平衡，但同时我们也可将它作为多路复用器使用。在电压检测模式卜, 变压器的反激模式没有被使用。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所有绕组。经过一个分立滤波器简单的预处理，检测信 号被输入至微控制器adc输入管脚。s1至sn中的任一开关闭合时所产生的检测脉冲的持续时间非常短暂，实际的 导通时间可能只有4ps,因此变压器中存储的能量并不多