鋰離子電池組的主動充電平衡法分析
位于慕尼黑的英飛凌科技公司汽車系統(tǒng)工程部門最近接到一項開發(fā)E-Cart的任務(wù)。E-Cart是一種可駕駛的車輛，主要用于演示混合動力汽車的電氣性能。該車將采用一組龐大的鋰離子電池組提供動力，當(dāng)時開發(fā)人員就意識到對其進(jìn)行帶充電平衡的電池管理是絕對必要的。這種情況下必須采用在各節(jié)電池之間進(jìn)行主動能量轉(zhuǎn)移的方式來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的簡單充電平衡方案。他們開發(fā)的主動充電平衡系統(tǒng)在材料成本與被動方案相當(dāng)?shù)那闆r下能提供更優(yōu)秀的性能(見圖1)。
圖1：E-Cart原型
電池系統(tǒng)架構(gòu)
鎳鎘電池與隨后出現(xiàn)的鎳氫電池多年來一直主宰著電池市場。鋰離子電池是最近才進(jìn)入市場的，但由于其性能有極大提高，因此其市場份額增長非常迅速。鋰離子電池的儲能容量非常驚人，但即便如此，單個電池單元的容量不論從電壓還是從電流方面仍都太低，不能滿足一個混合動力發(fā)動機(jī)的需要。并聯(lián)多個電池單元可以增大電池所提供的電流，串聯(lián)多個電池單元則可以增大電池提供的電壓。
電池組裝商通常利用一些縮略短語來描述其電池產(chǎn)品，例如“3P50S”代表該電池組中有3個并聯(lián)的電池單元、50個串聯(lián)的電池單元。
模塊化結(jié)構(gòu)在對包含多個串聯(lián)電池單元的電池進(jìn)行管理時是很理想的結(jié)構(gòu)。例如，在一個3P12S的電池陣列中，每12個電池單元串聯(lián)之后就組成了一個模塊(block)。然后，這些電池單元就可通過一塊以微控制器為核心的電子電路對其進(jìn)行管理和平衡。
這樣一個電池模塊的輸出電壓取決于串聯(lián)電池單元的個數(shù)和每個電池單元的電壓。鋰離子電池單元的電壓通常在3.3V到3.6V之間，因此一個電池模塊的電壓約在30V到45V之間。
混合動力車的驅(qū)動需要450V左右的直流電源電壓。為了根據(jù)充電狀態(tài)來補(bǔ)償電池單元電壓的變化，比較合適的做法是在電池組和發(fā)動機(jī)之間連接一個DC-DC轉(zhuǎn)換器。這個轉(zhuǎn)換器還可以限制電池組輸出的電流。
為確保DC-DC轉(zhuǎn)換器工作在最佳狀態(tài)，要求電池組電壓在150V到300V之間。因此，需要串聯(lián)5到8個電池模塊。
平衡的必要性
如果電壓超出允許的范圍，鋰離子電池單元就很容易損壞(見圖2)。如果電壓超出了上、下限(以納米磷酸鹽型鋰離子電池為例，下限電壓為2V，上限電壓為3.6V)，電池就可能出現(xiàn)不可逆轉(zhuǎn)的損壞。其結(jié)果至少是加快電池的自放電速度。電池輸出電壓在一個很寬的充電狀態(tài)(SOC)范圍內(nèi)都是穩(wěn)定的，電壓偏離安全范圍的風(fēng)險很小。但在安全范圍的兩端，充電曲線的起伏相對比較陡峭。因此，為預(yù)防起見，必須嚴(yán)密監(jiān)控電壓。
圖2：鋰離子電池的放電特性(鈉米磷酸鹽型)。
如果電壓達(dá)到一個臨界值，就必需立即停止放電或充電過程。在一個強(qiáng)大的平衡電路的幫助下，相關(guān)電池單元的電壓可以返回安全范圍內(nèi)。但為達(dá)到這一目的，該電路必需能在電池組中任何一個單元的電壓開始與其他單元出現(xiàn)差異時馬上在各單元之間轉(zhuǎn)移能量。
充電平衡法
1.傳統(tǒng)的被動方法：在一般的電池管理系統(tǒng)中，每個電池單元都通過一個開關(guān)連接到一個負(fù)載電阻。這種被動電路可以對個別被選中的單元放電。但該方法只適用于在充電模式下抑制最強(qiáng)電池單元的電壓攀升。為限制功耗，此類電路一般只允許以100mA左右的小電流放電，從而導(dǎo)致充電平衡耗時可高達(dá)幾小時。
2.主動平衡法：相關(guān)資料中有很多種主動平衡法，均需要一個用于轉(zhuǎn)移能量的存儲元件。如果用電容來做存儲元件，將其與所有電池單元相連就需要龐大的開關(guān)陣列。更有效的方法是將能量存儲在一個磁場中。該電路中的關(guān)鍵元件是一個變壓器。電路原型是由英飛凌的開發(fā)小組與VOGT電子元件GmbH公司共同開發(fā)的。其作用是：
a. 在電池單元之間轉(zhuǎn)移能量
b. 將多個單獨的電池單元電壓復(fù)接至一個基于地電壓的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)輸入端
該電路是按照回掃變壓器原理構(gòu)造的。這類變壓器能夠?qū)⒛芰看鎯υ诖艌鲋�。其鐵氧體磁心中的氣隙增大了磁阻，因此可以避免磁心材料出現(xiàn)磁飽和。
該變壓器兩側(cè)的電路是不同的：
