詳解動(dòng)力電池組均衡設(shè)計(jì)原理及意義

引言

隨著電池作為電源使用而日益受到歡迎，又出現(xiàn)了一種同樣強(qiáng)勁的需求，即最大限度地延長電池的使用壽命。電池不平衡 (即組成一個(gè)電池組的各節(jié)電池的充電狀態(tài)失配) 在大型鋰離子電池組中是個(gè)問題，這個(gè)問題是由制造工藝、工作條件和電池老化的差異造成的。不平衡可能降低電池組的總?cè)萘?，并有可能損壞電池組。不平衡使電池從充電狀態(tài)到放電狀態(tài)都無法跟蹤，而且如果沒有密切監(jiān)視，可能導(dǎo)致電池過度充電或過度放電，這將永久性地?fù)p壞電池。電池制造商按照容量和內(nèi)部電阻對混合電動(dòng)型汽車以及電動(dòng)型汽車電池組中使用的電池進(jìn)行分類，以在交付給客戶的特定批次中，減少電池之間的差異。然后，再仔細(xì)挑選電池來構(gòu)成汽車電池組，以改善電池組中每兩節(jié)電池之間的匹配。理論上，這應(yīng)該能防止電池組中產(chǎn)生大量的不平衡，但是盡管如此，普遍的共識是，當(dāng)構(gòu)成大型電池組時(shí)，既需要電池監(jiān)視、又需要電池平衡，以在電池組壽命期內(nèi)保持大的電池容量。

要理解平衡的重要性，第一步是利用兩個(gè)相同的電池組來評估兩種基本的電池管理策略。該測試將探究，在電池壽命期內(nèi)，電池組的總?cè)萘渴窃鯓邮艿接绊懙?。為了評估這兩種策略，要設(shè)計(jì)一個(gè)電池監(jiān)視系統(tǒng) (BMS)。該電池監(jiān)視系統(tǒng)由 3 個(gè)部分組成：監(jiān)視硬件、平衡硬件和控制器。用在測試中的電池監(jiān)視系統(tǒng)能監(jiān)視電池電壓和電池負(fù)載電流、平衡電池，并能控制電池與負(fù)載及電池充電器的連接。

監(jiān)視硬件

一個(gè)簡單的電池監(jiān)視器和平衡系統(tǒng)如圖 1 所示。該電池監(jiān)視系統(tǒng)的硬件是圍繞高度集成的 LTC6803-1 多節(jié)電池監(jiān)視 IC 設(shè)計(jì)的。每個(gè) LTC6803-1 能測量多達(dá) 12 節(jié)電池，并允許以可連接多個(gè) IC 的串行菊花鏈形式連接，從而使一個(gè)系統(tǒng)能通過一個(gè)串行端口監(jiān)視超過 100 個(gè)電池。當(dāng)設(shè)計(jì)一個(gè)電池監(jiān)視系統(tǒng)時(shí)，某些規(guī)范應(yīng)當(dāng)給以特殊考慮，首先是電池電壓準(zhǔn)確度。當(dāng)試圖決定單個(gè)電池的充電狀態(tài)時(shí)，電池電壓的準(zhǔn)確度至關(guān)重要，而且一節(jié)電池能否在接近工作極限的條件下工作，電池電壓的準(zhǔn)確度是限制因素之一。LTC6803 具 1.5mV 的分辨率，準(zhǔn)確度為 4.3mV。這將允許該控制器就電池狀態(tài)做出準(zhǔn)確決策，而不論使用的是什么樣的電池化學(xué)組成。其次，電池組不平衡的一個(gè)主要來源是，電池監(jiān)視電路本身的電源和備用電流的差異。在汽車應(yīng)用中，備用電流尤其重要，因?yàn)榇蠖鄶?shù)汽車在大部分時(shí)間里都是熄火的，這時(shí)電池監(jiān)視系統(tǒng)處于備用模式。LTC6803 僅具 12uA 備用電流，電流范圍規(guī)定為 6uA 至 18uA，從而可保證在一個(gè)大型電池組中，最嚴(yán)重的不平衡為 12uA，這使每月不平衡低于 10mAhr。有兩個(gè) ADC 輸入可用來監(jiān)視電池溫度或其他的傳感器數(shù)據(jù)。圖 1 中顯示的設(shè)計(jì)用 Vtemp1 輸入測量電池電流。電流用 LT1999 測量。LT1999 是一款高壓雙向電流檢測放大器，具 -5V 至 80V 的輸入范圍，而且在本文所述測試情況下，設(shè)置為監(jiān)視電池組高壓端的 ±10A。LTC6803 上的兩個(gè) GPIO 引腳用來控制一個(gè)有源負(fù)載和一個(gè)充電器。當(dāng)充電結(jié)束或達(dá)到放電點(diǎn)時(shí)，這允許 LTC6803 斷開電池與充電器或負(fù)載的連接。

圖 1：6 節(jié)電池監(jiān)視系統(tǒng)的簡化原理圖。LTC6803 測量電池電壓并
控制外部電池放電晶體管。LT1999 測量至電池組的充電和放電電流。

平衡硬件

利用跨電池組中每一節(jié)電池的旁路電阻器和開關(guān)實(shí)現(xiàn)無源平衡硬件。平衡電阻器的使用一般采用兩種方式之一 (圖 2)。電阻器可用來導(dǎo)引充電電流繞過電池，以便具較低充電狀態(tài) (SOC) 的電池能以較高的速率保持充電，而不會(huì)使具有高 SOC 的電池有過充電和損壞的風(fēng)險(xiǎn)。該電阻器也可用來使具較高充電狀態(tài)的電池泄放過多的電荷，以使這些電池與具較低 SOC 的電池實(shí)現(xiàn)均衡。

圖 2：無源電池平衡的兩種選擇。電阻值決定主要功能

硬件設(shè)計(jì)的主要關(guān)注之處是確定合適的平衡電流，該電流由所用旁路電阻器的值設(shè)定。所需的平衡電流大部分取決于電池的容量、可允許的平衡時(shí)間、預(yù)期的不平衡程度以及電阻器將怎樣使用。如果電阻器用來旁路充電器的電流，那么它將設(shè)定為分流幾個(gè)安培的電流。如果平衡電阻器用來泄放過多的電荷，那么該電阻器的大小要滿足所希望的平衡時(shí)間。無源平衡僅能糾正源自電池組加載的 SOC 不平衡，而電池組加載則是由電池監(jiān)視電路、電池本身放電以及內(nèi)部電阻效應(yīng)引起的。如果持續(xù)監(jiān)視，那么這些 SOC 不平衡的來源每天應(yīng)該僅產(chǎn)生少量的不平衡。用于這次實(shí)驗(yàn)室評估的電池監(jiān)視系統(tǒng)采用了一個(gè) 33Ω 的平衡電阻器，該電阻器設(shè)定大約 100mA 的平衡電流，就小型電池而言，這一平衡電流很大，但是這樣的平衡電流允許平衡操作用更短的時(shí)間來完成。

控制策略

電池監(jiān)視系統(tǒng)硬件的控制程序設(shè)計(jì)為既監(jiān)視電池狀態(tài)，又管理電池不平衡。該系統(tǒng)的無源平衡功能可以接通或斷開，以決定平衡對電池組的影響。實(shí)驗(yàn)室測試在Turnigy公司制造的兩個(gè)相同的電池組上以及通過多個(gè)充電 / 放電周期進(jìn)行。為了比較方便，僅監(jiān)視第一個(gè)電池組，以確保每節(jié)電池的電壓都保持在正常工作范圍。第二個(gè)電池組既受到監(jiān)視，又接受周期性無源平衡。這個(gè)實(shí)驗(yàn)中使用的兩個(gè)電池組由 6 個(gè)串聯(lián)鋰離子聚合物電池組成，總?cè)萘繛?2.2AHr。單個(gè)電池的最大終端電壓為 4.2V，最小終端電壓為 3V。為了模擬實(shí)時(shí)使用情況并加速老化，兩個(gè)電池組都在電池監(jiān)視系統(tǒng)的監(jiān)察下連續(xù)充電和放電。放電周期采用固定的 2C 至 3C、4.4A 至 6.6A 速率，同時(shí)電池以 1C 至 2C、2.2A 至 4.4A 的恒定電流充電?；颈O(jiān)視系統(tǒng)設(shè)定為監(jiān)視單個(gè)電池電壓的欠壓和過壓情況以及任何過流故障。在放電時(shí)，電池組中任何電池達(dá)到 3.005V 的欠壓限制都會(huì)終止放電周期。在充電周期，如果電池組中的任何電池達(dá)到了 4.19V 的過壓狀態(tài)，電池充電就終止。每個(gè)電池組都重復(fù)充電和放電 100 個(gè)周期，以加速老化。

無源平衡的目標(biāo)是調(diào)節(jié)電池組中所有電池的 SOC ，以便能夠從電池組中安全地抽取最多的能量。無源平衡器不產(chǎn)生或向電池組提供電荷，這意味著，電池組中容量最低的電池將決定電池組的有用容量。為了最大限度地提高電池組的容量，平衡器需要確保使容量和 SOC 較低的電池完全充電和放電。僅當(dāng)電池能完全充電和完全放電時(shí)，該電池存儲的總能量才能使用，這意味著最薄弱的電池應(yīng)該是最先完成充電和放電的電池。對無源平衡方法的主要擔(dān)心之處是，能否識別具較高容量的電池。電池的 SOC 體現(xiàn)在電池的開路電壓中，也是剩余能量的百分比指示器。兩節(jié)電池有相同的 SOC ，不意味著這兩節(jié)電池存儲了相同數(shù)量的能量，與容量較低的電池相比，在給定 SOC 下，容量較大的電池存儲的能量總是更多。

平衡軟件控制算法用來利用充電器協(xié)調(diào)平衡，而且在充電周期開始時(shí)啟動(dòng)。既然無源平衡僅能從電池組去除能量，那么當(dāng)電池組放電時(shí)，平衡就沒有意義了。這也消除了使容量較低的電池和容量較高的電池 SOC 相等的可能性，這在放電時(shí)會(huì)降低可用容量。充電周期一啟動(dòng)，就將電池電壓存儲起來，然后才連接充電器。在充電周期開始時(shí)，平衡器應(yīng)該決定哪一節(jié)電池的電壓最低，這節(jié)電池將被稱為 Clow。充電周期結(jié)束的標(biāo)志是，某一節(jié)電池達(dá)到預(yù)定的最大電壓限制，當(dāng)充電周期結(jié)束時(shí)，電池電壓再次存儲起來。在兩種情況下，電池電壓都是用無負(fù)載電流測量的，而且經(jīng)過了短期穩(wěn)定。如果充電周期結(jié)束后，所測得的 Clow 電壓不是最高電壓，那么就需要平衡。充電周期之后 Clow 的電壓設(shè)為 Vbalance。對于電池組中所測得的電壓高于 Vbalance 的電池，要啟動(dòng)泄放電阻器。平衡開關(guān)應(yīng)該保持接通，直到所有電池電壓都等于 Vbalance 電壓為止。達(dá)到平衡以后，電池恢復(fù)充電，以使電池完全充電。為了觀察無源平衡的影響，做了兩個(gè)測試，結(jié)果如下。

測試結(jié)果：電池組 1

電池組 1 經(jīng)過了 100 個(gè)充電 / 放電周期，圖 3 顯示若干周期后記錄 6 節(jié)電池的電壓。該圖顯示，經(jīng)過短暫停頓后，在一個(gè)完整的充電周期結(jié)束時(shí)所測得的電池電壓。充電后，電池電壓之間的不平衡與容量和內(nèi)部電阻的小量變化有關(guān)。在第一個(gè)完整的周期中，測得的電池組容量為 2.072AHr，經(jīng)過 100 個(gè)周期后，所測得的容量為 2.043AHr，隨著周期數(shù)增加，容量有少量下降。還有一種趨勢，即隨著充電 / 放電周期數(shù)的增加，充電后電池的最終電壓下降了，100 個(gè)周期以后，這種趨勢尤其顯著。這種趨勢最有可能是因?yàn)殡姵乩匣痣姵貎?nèi)部電阻的小量增加導(dǎo)致的。內(nèi)部電阻增加使電池更快地達(dá)到充電結(jié)束門限。盡管在工作時(shí)沒有平衡，這個(gè)電池組在 100 個(gè)周期中自始至終保持著同樣程度的不平衡。能像這個(gè)電池組一樣，每節(jié)電池自然而然相互匹配的電池組相當(dāng)罕見。

圖 3：充電周期之后電池組 1 中電池的電壓

測試結(jié)果：電池組 2

第二個(gè)電池組評估時(shí)采用了無源平衡算法。在進(jìn)行任何平衡之前，電池組經(jīng)過 10 次充電 / 放電。電池組 2 的初始電壓如圖 4 所示。與電池組 1 不同 ，制造商沒有對這些電池的 SOC 進(jìn)行很好的匹配。遇到這種類型失配的可能性要大得多。電池組 2 需要平衡，然后才能提供總的潛在容量。這種情況是更加典型的。

圖 4：充電周期之后電池組 1 中電池的電壓

5 號電池與其余電池之間存在很大和高于 100mV 的不平衡。這種不平衡對電池的容量有極大的影響。在一個(gè)完整的周期之后，該電池組顯示所測得的容量為 1.765AHr。經(jīng)過 10 個(gè)周期之后，不平衡依然存在，平衡算法啟動(dòng)。平衡器給所有電池放電，以與 5 號電池匹配，經(jīng)過一個(gè)完整的充電周期之后，所記錄的 SOC 為 2.043AHr，與初始 SOC 相比有 16% 的改進(jìn)。平衡算法依然保持運(yùn)行，但是在接下來的 50 個(gè)周期中，校正作用非常小，50 個(gè)周期之后，所測得的容量為 2.044AHr。

即使經(jīng)過大量平衡周期之后，該電池組仍然沒有利用全部可能使用的能量。主要限制是，該平衡算法沒有考慮電池內(nèi)部電阻這個(gè)因素。1 號電池有較高的內(nèi)部電阻，總是在 5 號電池之前完成充電，從而使 5 號電池?zé)o法完全充電。在 50 個(gè)周期后，對平衡算法進(jìn)行修改，以觀察電池組容量是否能得到改善。平衡算法修改為，讓放電電阻器跨電池兩端連接，同時(shí)如果任何電池的電壓高于 Clow，就連接充電器。這允許比較薄弱的電池在充電器斷接之前獲得更多電荷，也是圖 2 中提到的導(dǎo)引充電電流方法的一個(gè)例子。這種充電策略的改變使可用容量提高到了 2.051AHr，并改善了平衡時(shí)間。該電池組再充電和放電 50 次，即總共 100 個(gè)周期，那么 100 個(gè)周期之后所測得的容量為 2.054AHr。電池組 2 的容量在測試過程中一直保持恒定，且當(dāng)平衡策略改善后，容量提高了。即使最初某節(jié)電池與其他電池嚴(yán)重失配，這種改進(jìn)依然可以實(shí)現(xiàn)。

結(jié)論

如果電池組物理上很小，電池節(jié)數(shù)很少，那么初始查驗(yàn)步驟就能保證在電池的壽命期內(nèi)使電池保持很好的匹配狀態(tài)。在小型電池組中，電池的負(fù)載和溫度條件一般是很好匹配的。測試顯示，少量不平衡將隨著充電 / 放電周期數(shù)的增加而增大，電池組 1 損失了 1.4% 的容量。第二個(gè)電池組從一開始就顯示需要平衡硬件，如果沒有平衡硬件，電池組的效用就完全由電池制造商決定了，而且對電池組的誤差根本無法校正。在有平衡系統(tǒng)的情況下，電池組 2 能夠在測試中自始至終保持其容量，而電池組 1 的容量則穩(wěn)步下降?？傊?，在整個(gè)工作壽命期內(nèi)，平衡系統(tǒng)有助于擴(kuò)大電池組容量。對平衡算法的改進(jìn)可能包括使用電池特征數(shù)據(jù)以及特定電池的建模。這允許控制器更準(zhǔn)確地確定電池組中各節(jié)電池的能量水平，從而甚至當(dāng)使用相同的平衡電流時(shí)，也能使控制器更準(zhǔn)確地平衡電池，并縮短平衡時(shí)間。