锂电池组的主动充电均衡

　　电池系统架构

　　镍镉电池与随后泛起的镍氢电池多年来一贯主宰着电池市场。锂荡子电池是比来才进入市场的，但因为其机能有极除夜提高，是以其市场份额增进异常急迅。锂荡子电池的储能容量异常惊人，但即便如斯，单个电池单位的容量不论除夜电压照样除夜电流方面仍都太低，不克不及知足一个夹杂动力发念头的需要。并联多个电池单位可以增除夜电池所供应的电流，串联多个电池单位则可以增除夜电水池供的电压。

　　电池组装商常日行使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个并联的电池单位、50个串联的电池单位。

　　模块化构造在对包含多个串联电池单位的电池进行治理时是很幻想的构造。例如，在一个3P12S的电池阵列中，每12个电池单位串联之后就构成了一个模块(block)。然后，这些电池单位就可经由过程一块以微节制器为核心的电子电路对其进行治理和均衡。

　　如许一个电池模块的输出电压取决于串联电池单位的个数和每个电池单位的电压。锂荡子电池单位的电压常日在3.3V到3.6V之间，是以一个电池模块的电压约在30V到45V之间。

　　夹杂动力车的驱动需要450V阁下的直流电源电压。为了按照充电状况来补偿电池单位电压的改变，对照合适的做法是在电池组和发念头之间邻接一个DC-DC转换器。这个转换器还可以限制电池组输出的电流。

　　为确保DC-DC转换器工作在最佳状况，要求电池组电压在150V到300V之间。是以，需要串联5到8个电池模块。

　　均衡的需要性

　　假如电压超出准许的局限，锂荡子电池单位就很随意草率损坏(见图2)。假如电压超出了上、下限(以纳米磷酸盐型锂荡子电池为例，下限电压为2V，上限电压为3.6V)，电池就可能泛起弗成逆转的损坏。其后不雅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况(SOC)局限内都是不乱的，电压偏离安然局限的风险很小。但在安然局限的两端，充电曲线的起伏相对对照陡峭。是以，为预防起见，必需雅绫擒监控电压。

　　

　　图2：锂荡子电池的放电特征(钠米磷酸盐型)。

　　假如电压达到一个临界值，就必需当即住手放电或充电过程。在一个强除夜的均衡电路的匡助下，相关电池单位的电压可以返回安然局限内。但为达到这一方针，该电路必需能在电池组中任何一个单位的电压最先与其他单位泛起不同时立时在各单位之间转移能量。

　　充电均衡法

　　1.传统的被动方式：在一般的电池治理系统中，每个电池单位都经由过程一个开关邻接到一个负载电阻。这种被动电路可以对个别被选中的单位放电。但该方式只合用于在充电模式下按捺最强电池单位的电压攀升。为限制功耗，此类电路一般只准许以100mA阁下的小电流放电，除夜而导致充电均衡耗时可高达几小时。

　　2.主动均衡法：相关资估中有很多种主动均衡法，均需要一个用于转移能量的存储元件。假如用电容来做存储元件，将其与所有电池单位相连就需要重除夜的开关阵列。更有效的方式是将能量存储在一个磁场中。该电路中的关键元件是一个变压器。电路原型是由英飞凌的斥地小组与VOGT电子元件GmbH公司合营斥地的。其感导是：

　　a. 在电池单位之间转移能量

　　b. 将多个零丁的电池单位电压复接至一个基于地电压的模数转换器(ADC)输入端

　　该电路是按照回扫变压器道理组织的。这类变压器可以或许将能量存储在磁场中。其铁氧体磁心中的气隙增除夜了磁阻，是以可以避免磁心材料泛起磁饱和。

　　该变压器两侧的电路是不合的：

　　a. 初级线圈与整个电池组相连

　　b. 次级线圈与每个电池单位相连

　　该变压器的一种合用模型支撑多达12个电池单位。变压器的可能邻接数量限制了电池单位的个数。上述原型变压器有28个引脚。

　　个中的开关采用OptiMOS3系列的MOSFET，它们的导通电阻极低，是以其传导损耗可以忽略不计(见图3)。

　　

　　图3：电池治理模块的道理图

　　图中的每个模块都受英飞凌公司的8位前辈微节制器XC886CLM节制。这种微节制器自带闪存法度和一个32KB的数据存储器。此外，它还有两个基于硬件的CAN接口，支撑经由过程公共汽车节制器局域网(CAN)总线和谈与下面的处理器负载通信。它还包含一个基于硬件的乘除法单位，可用于加快较劲争论过程。

　　均衡方式

　　因为变压器可以双向工作，是以我们可以按照景遇回收两种不合的均衡方式。在对所有电池单位进行电压扫描之后(电压扫描的细节将在后面介绍)，级悦娼均值，然后搜检电压偏离平均值最除夜的电池单位。假如其电压低于平均值，就采用底部均衡法(bottom-balancing)，假如其电压高于平均值，就采用顶部均衡法(top-balancing)。

　　1.底部均衡法：图4所示例子就是采用的底部均衡法。扫描发现电池单位2是最弱的单位，必需对其进行加强。

　　

　　图4：锂荡子电池的底部充电均衡道理

　　此时闭合主开关(“prim”)，电池组最先对变压器充电。主开关断开后，变压器存储的能量就可以转移至选定的电池单位。响应的次级(“sec”)开关——在本例中是开关sec2——闭合后，就最先能量转移。

　　每个周期均包含两个主动脉冲和一个暂停。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，其工作频段应在20kHz以上，以避免泛起人类听觉频率局限内可感知的啸叫噪音。这种声所以由变压器铁氧体磁心的磁致伸缩导致的。

　　尤其是当某个电池单位的电压已经达到SoC的下限时，底部均衡法可以或许匡助迟误整个电池组的工作时辰。只要电池组供应的电流低于平均均衡电流，车辆就能继续工作，直到最后一块电池单位也被耗尽。

　　2.顶部均衡法：假如某个电池单位的电压高于其他单位，那么就需要将个中的能量导出，这在充电模式下尤其需要。假如不绝行均衡，充电过程在第一块电池单位布满之后就不得不当即住手。采用均衡之后则可以经由过程贯穿连接所有电池单位的电压相等而避免发生过早住手充电的景遇。

　　

　　图5：锂荡子电池的顶部充电均衡道理

　　图5给出了顶部均衡模式下的能量流动景遇。在电压扫描之后，发现电池单位5是整个电池组中电压最高的单位。此时闭合开关sec5，电流除夜电池流向变压器。因为自感的存在，电流随时辰线性增除夜。而因为自感是变压器的一个固有特征，是以开关的导通时辰就决意了可以或许达到的最除夜电流值。电池单位中转移出的能量以磁场的形式获得存储。在开关sec5断开后，必需闭合主开关。此时，变压器就除夜储能模式进入了能量输出模式。能量经由过程伟除夜的初级线圈送入整个电池组。

　　顶部均衡法中的电流和时序前提与底部均衡法异常雷同，只是递次和电流的标的目的与底部均衡法相反。

　　均衡功率和电压扫描

　　按照英飞凌E-Cart中的原型设备，平均均衡电流可达5A，比被动均衡法的电流高50倍。在5A的均衡电流下，整个模块的功耗仅2W，是以无需专门的冷却办法，并且进一步改善了系统的能量均衡。

　　为了治理每个电池单位的充电状况，必需测量它们各自的电压。因为只有单位1在微节制器的ADC局限内，是以模块中其他单位的电压无法直接测量。一种可能的方案是采用一组差分放除夜器阵列，并且它们必需支撑整个电池模块的电压。

　　下文中描述的方式只需增添很少量的额外硬件就能测量所有电池单位的电压。在该方式中，首要义务是进行充电均衡的变压器同时也被用做一个赋姑器。

　　在电压扫描模式中没有哄骗变压器的回扫模式。当S1到Sn这些开关中有一个闭应时，与其相连的电池单位的电压就转换到变压器的所有绕组中。

　　在经由一个离散滤波器的简单预处理之后，被测旗子暗记就被送入微节制器的ADC输入端口。开关S1到Sn中的某个开封闭应时所发生的测量脉冲持续时辰可能异常短，实际导通时辰为4us。是以，经由过程这个脉冲存储至变压器中的能量很少。并且无论若安在开关断开之后，存储在磁场中的能量都邑经由过程初级晶体管流回整个电池模块。是以电池模块的能量若干并不受影响。在对所有电池单位进行完一个周期的扫描之后，系统又回到初始状况。

　　本文小结

　　只有拥有一套优异的电池治理系统才能充裕施展新型锂荡子电池所具备的优势。主动充电均衡系统的机能远远优于传统的被动方式，而相对简单的变压器则有助于贯穿连接较低的材料成本。