锂电池组的主动电荷平衡技术

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电池系统架构

多年以来,镍镉电池和随后出现的镍氢电池技术一直占据市场主导地位。锂电池只是最近几年才进入市场。然而,凭借其突出的优越性能,其市场份额迅速攀升。锂电池具有惊人的蓄能容量,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,则要把多个电池串联起来。

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。

对于有多个电池串联而言,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3P 12S阵列中的一个电池块(block)。这些电池的电荷由一个带有微处理器的电子电路进行管理和平衡。电池块的输出电压由串联电池的数量和电池电压决定。单个锂电池的电压一般介于3.3~3.6V之间,因此相应电池块的输出电压介于30~45V之间。

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,电池组的电压应保持在150~300V之间。为此,需要将5~8个电池块串联在一起。

平衡的必要性

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围内,输出电压可以保持稳定,因此正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,变化曲线非常陡峭。作为预防措施,仔细监测电压水平非常必要。

图1锂电池(nanophosphate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,当电池组中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中,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,采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。英飞凌项目组通过与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:

● 在电池之间转移能量
● 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组:
● 主绕组与电池组相连
● 次绕组与电池相连

图2 电池管理模块主电路


可行的变压器模型可支持12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OptiMOS 3系列中的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。
每个电池块由英飞凌的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局域网(CAN)总线协议进行通信,降低了处理器的负荷;硬件乘除算法单元(MDU)提高了运算速度。

平衡方式

由于变压器可以双向使用,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,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,其中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。本例中的周期为40ms,对应的频率为25kHz。变压器的设计工作频率应高于20kHz,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

如果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,那么在第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号电池是电池组中电压最高的电池。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,电流随时间线性增大。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号电池中转移出来的能量被存储在变压器的磁场中。断开5号次绕组开关,闭合主绕组开关,此时变压器转入发电机工作模式,能量通过大型主绕组馈入电池组。

图4上限平衡原理

上限平衡工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

采用英飞凌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2W。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。
 

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