鋰離子電池組的主動充電平衡法

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(shí)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(gè)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(gè)混合動力發(fā)動機(jī)的需要。并聯(lián)多個(gè)電池單元可以增大電池所提供的電流，串聯(lián)多個(gè)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(gè)并聯(lián)的電池單元、50個(gè)串聯(lián)的電池單元。 模塊化結(jié)構(gòu)在對包含多個(gè)串聯(lián)電池單元的電池進(jìn)行管理時(shí)是很理想的結(jié)構(gòu)。例如，在一個(gè)3P12S的電池陣列中，每12個(gè)電池單元串聯(lián)之后就組成了一個(gè)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(gè)電池模塊的輸出電壓取決于串聯(lián)電池單元的個(gè)數(shù)和每個(gè)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(gè)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(gè)DC-DC轉(zhuǎn)換器。這個(gè)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(gè)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(gè)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(xiǎn)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(gè)臨界值，就必需立即停止放電或充電過程。在一個(gè)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(gè)單元的電壓開始與其他單元出現(xiàn)差異時(shí)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(gè)電池單元都通過一個(gè)開關(guān)連接到一個(gè)負(fù)載電阻。這種被動電路可以對個(gè)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(shí)可高達(dá)幾小時(shí)。

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(gè)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(gè)磁場中。該電路中的關(guān)鍵元件是一個(gè)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(gè)單獨(dú)的電池單元電壓復(fù)接至一個(gè)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诖艌鲋小Ｆ滂F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：

a. 初級線圈與整個(gè)電池組相連

b. 次級線圈與每個(gè)電池單元相連

該變壓器的一種實(shí)用模型支持多達(dá)12個(gè)電池單元。變壓器的可能連接數(shù)量限制了電池單元的個(gè)數(shù)。上述原型變壓器有28個(gè)引腳。

其中的開關(guān)采用OptiMOS3系列的MOSFET，它們的導(dǎo)通電阻極低，因此其傳導(dǎo)損耗可以忽略不計(jì)(見圖3)。

圖3：電池管理模塊的原理圖。

圖中的每個(gè)模塊都受英飛凌公司的8位先進(jìn)微控制器XC886CLM控制。這種微控制器自帶閃存程序和一個(gè)32KB的數(shù)據(jù)存儲器。此外，它還有兩個(gè)基于硬件的CAN接口，支持通過公共汽車控制器局域網(wǎng)(CAN)總線協(xié)議與下面的處理器負(fù)載通信。它還包含一個(gè)基于硬件的乘除法單元，可用于加快計(jì)算過程。

平衡方法

由于變壓器可以雙向工作，因此我們可以根據(jù)情況采取兩種不同的平衡方法。在對所有電池單元進(jìn)行電壓掃描之后(電壓掃描的細(xì)節(jié)將在后面介紹)，計(jì)算平均值，然后檢查電壓偏離平均值最大的電池單元。如果其電壓低于平均值，就采用底部平衡法(bottom-balancing)，如果其電壓高于平均值，就采用頂部平衡法(top-balancing)。

1.底部平衡法：圖4所示例子就是采用的底部平衡法。掃描發(fā)現(xiàn)電池單元2是最弱的單元，必須對其進(jìn)行增強(qiáng)。

圖4：鋰離子電池的底部充電平衡原理。

此時(shí)閉合主開關(guān)(“prim”)，電池組開始對變壓器充電。主開關(guān)斷開后，變壓器存儲的能量就可以轉(zhuǎn)移至選定的電池單元。相應(yīng)的次級(“sec”)開關(guān)——在本例中是開關(guān)sec2——閉合后，就開始能量轉(zhuǎn)移。

每個(gè)周期均包含兩個(gè)主動脈沖和一個(gè)暫停。在本例中，40毫秒的周期轉(zhuǎn)換為頻率就是25kHz。在設(shè)計(jì)變壓器時(shí)，其工作頻段應(yīng)在20kHz以上，以避免出現(xiàn)人類聽覺頻率范圍內(nèi)可感知的嘯叫噪音。這種聲音是由變壓器鐵氧體磁心的磁致伸縮導(dǎo)致的。

尤其是當(dāng)某個(gè)電池單元的電壓已經(jīng)達(dá)到SoC的下限時(shí)，底部平衡法能夠幫助延長整個(gè)電池組的工作時(shí)間。只要電池組提供的電流低于平均平衡電流，車輛就能繼續(xù)工作，直到最后一塊電池單元也被耗盡。

2.頂部平衡法：如果某個(gè)電池單元的電壓高于其他單元，那么就需要將其中的能量導(dǎo)出，這在充電模式下尤其必要。如果不進(jìn)行平衡，充電過程在第一塊電池單元充滿之后就不得不立即停止。采用平衡之后則可以通過保持所有電池單元的電壓相等而避免發(fā)生過早停止充電的情況。

圖5：鋰離子電池的頂部充電平衡原理。

圖5給出了頂部平衡模式下的能量流動情況。在電壓掃描之后，發(fā)現(xiàn)電池單元5是整個(gè)電池組中電壓最高的單元。此時(shí)閉合開關(guān)sec5，電流從電池流向變壓器。由于自感的存在，電流隨時(shí)間線性增大。而由于自感是變壓器的一個(gè)固有特性，因此開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間就決定了能夠達(dá)到的最大電流值。電池單元中轉(zhuǎn)移出的能量以磁場的形式得到存儲。在開關(guān)sec5斷開后，必須閉合主開關(guān)。此時(shí)，變壓器就從儲能模式進(jìn)入了能量輸出模式。能量通過巨大的初級線圈送入整個(gè)電池組。

頂部平衡法中的電流和時(shí)序條件與底部平衡法非常類似，只是順序和電流的方向與底部平衡法相反。

平衡功率和電壓掃描

按照英飛凌E-Cart中的原型配置，平均平衡電流可達(dá)5A，比被動平衡法的電流高50倍。在5A的平衡電流下，整個(gè)模塊的功耗僅2W，因此無需專門的冷卻措施，并且進(jìn)一步改善了系統(tǒng)的能量平衡。

為了管理每個(gè)電池單元的充電狀態(tài)，必須測量它們各自的電壓。由于只有單元1在微控制器的ADC范圍內(nèi)，因此模塊中其他單元的電壓無法直接測量。一種可能的方案是采用一組差分放大器陣列，而且它們必須支持整個(gè)電池模塊的電壓。

下文中描述的方法只需增加很少量的額外硬件就能測量所有電池單元的電壓。在該方法中，主要任務(wù)是進(jìn)行充電平衡的變壓器同時(shí)也被用做一個(gè)復(fù)用器。

在電壓掃描模式中沒有使用變壓器的回掃模式。當(dāng)S1到Sn這些開關(guān)中有一個(gè)閉合時(shí)，與其相連的電池單元的電壓就轉(zhuǎn)換到變壓器的所有繞組中。

在經(jīng)過一個(gè)離散濾波器的簡單預(yù)處理之后，被測信號就被送入微控制器的ADC輸入端口。開關(guān)S1到Sn中的某個(gè)開關(guān)閉合時(shí)所產(chǎn)生的測量脈沖持續(xù)時(shí)間可能非常短，實(shí)際導(dǎo)通時(shí)間為4us。因此，通過這個(gè)脈沖存儲至變壓器中的能量很少。而且無論如何在開關(guān)斷開之后，存儲在磁場中的能量都會通過初級晶體管流回整個(gè)電池模塊。因此電池模塊的能量多少并不受影響。在對所有電池單元進(jìn)行完一個(gè)周期的掃描之后，系統(tǒng)又回到初始狀態(tài)。

本文小結(jié)

只有擁有一套優(yōu)秀的電池管理系統(tǒng)才能充分發(fā)揮新型鋰離子電池所具備的優(yōu)勢。主動充電平衡系統(tǒng)的性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的被動方法，而相對簡單的變壓器則有助于保持較低的材料成本。