鋰電池組的主動電荷平衡技術(shù)

電池系統(tǒng)架構(gòu)

　　多年以來，鎳鎘電池和隨后出現(xiàn)的鎳氫電池技術(shù)一直占據(jù)市場主導(dǎo)地位。鋰電池只是最近幾年才進入市場。然而，憑借其突出的優(yōu)越性能，其市場份額迅速攀升。鋰電池具有驚人的蓄能容量，但單個電池的電壓和電流都太低，不足以滿足混合動力電機的需要。為增加電流需將多個電池并聯(lián)起來，為獲得更高的電壓，則要把多個電池串聯(lián)起來。

　　電池生產(chǎn)商通常以類似“3P 50S”字樣的縮寫詞來描述電池的排列方式，“3P 50S”代表3個電池并聯(lián)和50個電池串聯(lián)。

　　對于有多個電池串聯(lián)而言，模塊化結(jié)構(gòu)是電池管理的理想選擇。例如，將多達(dá)12個電池串聯(lián)起來，組成3P 12S陣列中的一個電池塊（block）。這些電池的電荷由一個帶有微處理器的電子電路進行管理和平衡。電池塊的輸出電壓由串聯(lián)電池的數(shù)量和電池電壓決定。單個鋰電池的電壓一般介于3.3～3.6V之間，因此相應(yīng)電池塊的輸出電壓介于30～45V之間。

　　混合動力汽車驅(qū)動需要450V左右的直流電源電壓。為了補償因荷電狀態(tài)不同而引起的電池電壓差異，在電池組和電機驅(qū)動裝置之間連接一個DC/DC轉(zhuǎn)換器。該轉(zhuǎn)換器還可限流。

　　為使DC/DC轉(zhuǎn)換器達(dá)到最佳工作狀態(tài)，電池組的電壓應(yīng)保持在150～300V之間。為此，需要將5～8個電池塊串聯(lián)在一起。

平衡的必要性

　　一旦電壓超出允許范圍，鋰電池很容易被損壞（見圖1）。如果超出電壓的上限和下限（例如，nanophosphate鋰電池的電壓上限和下限分別為3.6V和2V），電池就可能會受到不可逆的損壞，至少也會增加電池的自放電率。在相當(dāng)寬的荷電狀態(tài)范圍內(nèi)，輸出電壓可以保持穩(wěn)定，因此正常情況下超出安全范圍的可能性比較小。但是，在接近安全范圍上限和下限的區(qū)域，變化曲線非常陡峭。作為預(yù)防措施，仔細(xì)監(jiān)測電壓水平非常必要。

圖1鋰電池(nanophosphate型)的放電特性

　　當(dāng)電池電壓接近臨界值時，必須立即停止放電或充電。平衡電路的功能就是調(diào)節(jié)相應(yīng)電池的電壓，使其保持在安全區(qū)域。為了達(dá)到這個目的，當(dāng)電池組中任一電池的電壓與其他電池不同時，就必須將能量在電池之間進行轉(zhuǎn)移。
電荷平衡

　　1 傳統(tǒng)的被動平衡方式

　　在常規(guī)電池管理系統(tǒng)中，每個電池均通過開關(guān)與一個負(fù)載電阻相連。被動式平衡電路可以對指定電池單獨放電，但這種方式只能在充電模式下抑制電壓最高的電池的電壓上升。為了限制功耗，一般采用100mA內(nèi)的小電流，這可能導(dǎo)致需要數(shù)小時才能完成電荷平衡。

　　2 主動平衡

　　現(xiàn)有文獻(xiàn)資料中介紹了幾種主動電荷平衡方法，這些方法利用蓄能元件轉(zhuǎn)移能量。如果采用電容器作為蓄能元件，則需要許多開關(guān)元件將蓄能電容與所有電池連接。相對而言，采用磁場來存儲能量的效率更高，這種電路的核心器件是變壓器。英飛凌項目組通過與VOGT電子器件有限公司（VOGT electronic Components GmbH）合作開發(fā)出了相應(yīng)的原型，它可以用于：

　　● 在電池之間轉(zhuǎn)移能量

　　● 將多個電池電壓復(fù)用，作為基于地電壓的模數(shù)轉(zhuǎn)換輸入

　　其構(gòu)造原理是使用反激轉(zhuǎn)換器（flyback converter）。這種變壓器以磁場存儲能量，在磁芯中有一個空隙，以提高磁阻，避免磁芯材料磁飽和。

　　變壓器有兩個不同的繞組：

　　● 主繞組與電池組相連

　　● 次繞組與電池相連

圖2 電池管理模塊主電路

　　可行的變壓器模型可支持12個電池。其限制因素是可能連接數(shù)量。 本文所述的變壓器原型有28個引腳。

　　開關(guān)采用OptiMOS 3系列中的MOSFET，它們具有極低的導(dǎo)通電阻，所產(chǎn)生的傳導(dǎo)損耗可以忽略不計。

　　每個電池塊由英飛凌的8位微控制器XC886CLM控制，該控制器具有閃存和32KB的數(shù)據(jù)存儲器；兩個硬件CAN接口支持采用普通汽車控制器局域網(wǎng)（CAN）總線協(xié)議進行通信，降低了處理器的負(fù)荷；硬件乘除算法單元（MDU）提高了運算速度。

平衡方式

　　由于變壓器可以雙向使用，我們可以根據(jù)情況采用兩種不同的平衡方式。控制電路首先逐個檢測所有電池的電壓，計算出平均值，然后找出電壓與平均值偏差最大的電池。如果該電池的電壓低于平均值，則采用下限平衡（bottom-balancing）方法；如果高于平均電壓，則使用上限平衡（top-balancing）方法。

　　1 下限平衡

　　圖3顯示了需要采用下限平衡方法的情形，其中2號電池被確認(rèn)為電壓最低的電池，需要補充電量。
閉合主繞組開關(guān)，電池組向變壓器充電。然后斷開主繞組開關(guān)，閉合相應(yīng)的次繞組開關(guān)（本例中為2號次繞組開關(guān)），變壓器儲存的能量轉(zhuǎn)移到指定的電池上。

圖3下限平衡原理

　　每個周期由2個主動脈沖和1個間隔組成。本例中的周期為40ms，對應(yīng)的頻率為25kHz。變壓器的設(shè)計工作頻率應(yīng)高于20kHz，以避免由于變壓器磁芯的磁彈性產(chǎn)生的噪聲。

　　在某個電池的荷電狀態(tài)達(dá)到下限時，下限平衡方法可以延長電池組的工作時間。只要流出電池組的電流低于平均平衡電流，車輛就可以繼續(xù)行駛，直至耗盡最后一個電池的電量。

　　2 上限平衡

　　如果某個電池的電壓高于其他電池，就需要將多余能量從該電池移走，這在充電模式下尤其必要。如果沒有平衡功能，那么在第一個電池充滿后必須立即停止充電。平衡功能使得所有電池的電壓維持在同一水平，從而避免上述情況的發(fā)生。

　　圖4所示的例子說明了上限平衡模式下的能量流動情況。在電壓檢測后，確認(rèn)5號電池是電池組中電壓最高的電池。閉合5號次繞組開關(guān)，電流由5號電池流向變壓器。由于電感效應(yīng)，電流隨時間線性增大。鑒于電感是變壓器的固定特性，最大電流值由開關(guān)閉合的時間決定。從5號電池中轉(zhuǎn)移出來的能量被存儲在變壓器的磁場中。斷開5號次繞組開關(guān)，閉合主繞組開關(guān)，此時變壓器轉(zhuǎn)入發(fā)電機工作模式，能量通過大型主繞組饋入電池組。

圖4上限平衡原理

　　上限平衡工作模式下的電流和時序與下限平衡類似，只是工作次序和電流的流向與之相反。

平衡功率

　　采用英飛凌E-Cart中的原型配置，平均平衡點六位5A，比被動方式高50倍，而5A平衡電流在整個電池塊中產(chǎn)生的功耗僅為2W。因此，這種平衡方式不需要采取專門的冷卻措施，同時改善了系統(tǒng)的能量平衡。

電壓檢測

　　為了對每個電池的荷電狀態(tài)進行管理，每個電池的電壓都要加以測量。由于只有1號電池處于微控制器模數(shù)轉(zhuǎn)換范圍內(nèi)，因此不能直接測量電池塊中其他電池的電壓。一種可能的方案是采用差分放大器陣列，但這需要保持整個電池塊的電壓水平。

　　下面提出一種只需添加少量硬件就可以檢測所有電池電壓的方法。變壓器的主要作用是電荷平衡，但同時我們也可將它作為多路復(fù)用器使用。在電壓檢測模式下，變壓器的反激模式?jīng)]有被使用。當(dāng)S1至SN開關(guān)中的某一個閉合時，所接通的電池的電壓被傳輸至變壓器的所有繞組。經(jīng)過一個分立濾波器簡單的預(yù)處理，檢測信號被輸入至微控制器ADC輸入管腳。

　　S1至SN中的任一開關(guān)閉合時所產(chǎn)生的檢測脈沖的持續(xù)時間非常短暫，實際的導(dǎo)通時間可能只有4μs，因此變壓器中存儲的能量并不多。當(dāng)該開關(guān)斷開后，磁場中存儲的能量將通過主晶體管饋回整個電池塊，因此電池塊的能量不受影響。對全部電池掃描一遍后，一個掃描周期結(jié)束，系統(tǒng)回到初始狀態(tài)。

結(jié)語

　　只有采用適當(dāng)?shù)碾姵毓芾硐到y(tǒng)，才能充分利用新型鋰電池的優(yōu)勢。主動電荷平衡系統(tǒng)的性能顯著優(yōu)于傳統(tǒng)的被動方式。對簡單變壓器的創(chuàng)造性使用，有效降低了材料成本。