锂电池组的主动电荷平衡

1、锂电池组的主动电荷平衡 多年以来，镍镉电池和随后浮现的镍氢电池技术向来占领市场主导地位。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，其市场份额快速攀升。锂电池具有惊人的蓄能容量，但单个电池的和都太低，不足以满足混合动力电机的需要。为增强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罗列方式，“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抱负挑选。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

2、有微处理器的举行管理和平衡。电池块的输出电压由串联电池的数量和电池电压打算。单个锂电池的电压普通介于3.33.6v之间，因此相应电池块的输出电压介于3045v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衔接一个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150300v之间。为此，需要将58个电池块串联在一起。平衡的须要性一旦电压超出允许范围，锂电池很简单被损坏（见图1）。假如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离为3.6v和

3、2v），电池就可能会受到不行逆的损坏，起码也会增强电池的自放电率。在相当宽的荷电状态范围内，输出电压可以保持稳定，因此正常状况下超出平安范围的可能性比较小。但是，在临近平安范围上限和下限的区域，变幻曲线十分陡峭。作为预防措施，认真监测电压水平十分须要。图1锂电池(nanophosphate型)的放电特性当电池电压临近临界值时，必需立刻停止放电或充电。平衡电路的功能就是调整相应电池的电压，使其保持在平安区域。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，就必需将能量在电池之间举行转移。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相连。被动式平衡电

4、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升高。为了限制功耗，普通采纳100ma内的小电流，这可能导致需要数小时才干完成电荷平衡。2 主动平衡现有文献资料中介绍了几种主动电荷平衡办法，这些办法利用蓄能元件转移能量。假如采纳器作为蓄能元件，则需要许多开关元件将蓄能电容与全部电池衔接。相对而言，采纳磁场来存储能量的效率更高，这种电路的核心器件是。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

5、理是用法反激转换器（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，避开磁芯材料磁饱和。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。其限制因素是可能衔接数量。 本文所述的变压器原型有28个引脚。开关采纳optimos 3系列中的，它们具有极低的导通电阻，所产生的传导损耗可以忽视不计。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接口支持采纳一般汽车控制器局域网（can）协议举行通信，降低了处理器的负荷；硬件乘除

6、算法单元（mdu）提高了运算速度。平衡方式因为变压器可以双向用法，我们可以按照状况采纳两种不同的平衡方式。控制电路首先逐个检测全部电池的电压，计算出平均值，然后找出电压与平均值偏差最大的电池。假如该电池的电压低于平均值，则采纳下限平衡（bottom-balancing）办法；假如高于平均电压，则用法上限平衡（top-balancing）办法。1 下限平衡图3显示了需要采纳下限平衡办法的情形，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

7、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，以避开因为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，下限平衡办法可以延伸电池组的工作时光。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 上限平衡假如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须要。假如没有平衡功能，那么在第一个电池弥漫后必需立刻停止充电。平衡功能使得全部电池的电压维持在同一水平，从而避开上述状况的发生。图4所示的例子解释了上限平衡模式下的能量流淌状况。在电压检

8、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。因为效应，电流随时光线性增大。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光打算。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。平衡功率采纳英飞凌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平衡电流在囫囵电池块中产生的功耗仅为2w。因此，这种平衡方式不需要实行特地的冷却措施，同

9、时充实了系统的能量平衡。电压检测为了对每个电池的荷电状态举行管理，每个电池的电压都要加以测量。因为惟独1号电池处于微控制器模数转换范围内，因此不能挺直测量电池块中其他电池的电压。一种可能的计划是采纳差分阵列，但这需要保持囫囵电池块的电压水平。下面提出一种只需添加少量硬件就可以检测全部电池电压的办法。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用法。在电压检测模式下，变压器的反激模式没有被用法。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全部绕组。经过一个分立容易的预处理，检测信号被输入至微控制器输入管脚。s1至sn中的任一开关闭合时所产生的检测脉冲的持续时光十分短暂，实际的导通时光可能惟独4s，因此变压器中存储的能量并不多。当该开关断开后，磁场中存储的能量将