衡陽瑞達述鋰電池組的主動電荷平衡技術

發(fā)布時間:2024-11-08 閱讀:0 來源: 衡陽瑞達

  鋰電池組的主動電荷平衡技術

  電池系統架構

  多年以來,鎳鎘電池和隨后出現的鎳氫電池技術一直占據市場主導地位。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起來,為獲得更高的電壓,則要把多個電池串聯起來。

  電池生產商通常以類似“3P50S”字樣的縮寫詞來描述電池的排列方式,“3P50S”代表3個電池并聯和50個電池串聯。對于有多個電池串聯而言,模塊化結構是電池管理的理想選擇。例如,將多達12個電池串聯起來,組成3P12S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電池的數量和電池電壓決定。單個鋰電池的電壓一般介于3.3~3.6V之間,因此相應電池塊的輸出電壓介于30~45V之間。

  混合動力汽車驅動需要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,在電池組和電機驅動裝置之間連接一個DC/DC轉換器。該轉換器還可限流。為使DC/DC轉換器達到最佳工作狀態(tài),電池組的電壓應保持在150~300V之間。為此,需要將5~8個電池塊串聯在一起。

  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。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。在相當寬的荷電狀態(tài)范圍內,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。作為預防措施,仔細監(jiān)測電壓水平非常必要。

  當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節(jié)相應電池的電壓,使其保持在安全區(qū)域。為了達到這個目的,當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移。

  電荷平衡

  1傳統的被動平衡方式

  在常規(guī)電池管理系統中,每個電池均通過開關與一個負載電阻相連。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內的小電流,這可能導致需要數小時才能完成電荷平衡。

  2主動平衡

  現有文獻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移能量。如果采用電容器作為蓄能元件,則需要許多開關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(VOGTelectronicComponentsGmbH)合作開發(fā)出了相應的原型,它可以用于:在電池之間轉移能量;將多個電池電壓復用,作為基于地電壓的模數轉換輸入其構造原理是使用反激轉換器(flybackconverter)。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。

  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量。本文所述的變壓器原型有28個引腳。開關采用OptiMOS3系列中的MOSFET,它們具有極低的導通電阻,所產生的傳導損耗可以忽略不計。

  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的數據存儲器;兩個硬件CAN接口支持采用普通汽車控制器局域網(CAN)總線協議進行通信,降低了處理器的負荷;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: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,對應的頻率為25kHz。變壓器的設計工作頻率應高于20kHz,以避免由于變壓器磁芯的磁彈性產生的噪聲。在某個電池的荷電狀態(tài)達到下限時,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。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轉換范圍內,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用器使用。在電壓檢測模式下,變壓器的反激模式沒有被使用。當S1至SN開關中的某一個閉合時,所接通的電池的電壓被傳輸至變壓器的所有繞組。經過一個分立濾波器簡單的預處理,檢測信號被輸入至微控制器ADC輸入管腳。

  S1至SN中的任一開關閉合時所產生的檢測脈沖的持續(xù)時間非常短暫,實際的導通時間可能只有4μs,因此變壓器中存儲的能量并不多。當該開關斷開后,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,一個掃描周期結束,系統回到初始狀態(tài)。

  結語

  只有采用適當的電池管理系統,才能充分利用新型鋰電池的優(yōu)勢。主動電荷平衡系統的性能顯著優(yōu)于傳統的被動方式。對簡單變壓器的創(chuàng)造性使用,有效降低了材料成本。

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