锂电池组的主动电荷平衡

电池系统架构

      多年以来，镍镉电池和随后出现的镍氢电池技术一直占据市场主导地位。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，其市场份额迅速攀升。锂电池具有惊人的蓄能容量，但单个电池的电压和电流都太低，不足以满足混合动力电机的需要。为增加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排列方式，“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理想选择。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有微处理器的电子电路进行管理和平衡。电池块的输出电压由串联电池的数量和电池电压决定。单个锂电池的电压一般介于3.3～3.6V之间，因此相应电池块的输出电压介于30～45V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连接一个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150～300V之间。为此，需要将5～8个电池块串联在一起。

平衡的必要性

      一旦电压超出允许范围，锂电池很容易被损坏（见图1）。如果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别为3.6V和2V），电池就可能会受到不可逆的损坏，至少也会增加电池的自放电率。在相当宽的荷电状态范围内，输出电压可以保持稳定，因此正常情况下超出安全范围的可能性比较小。但是，在接近安全范围上限和下限的区域，变化曲线非常陡峭。作为预防措施，仔细监测电压水平非常必要。

图1锂电池(nanophosphate型)的放电特性

      当电池电压接近临界值时，必须立即停止放电或充电。平衡电路的功能就是调节相应电池的电压，使其保持在安全区域。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，就必须将能量在电池之间进行转移。

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电阻相连。被动式平衡电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上升。为了限制功耗，一般采用100mA内的小电流，这可能导致需要数小时才能完成电荷平衡。

2 主动平衡

      现有文献资料中介绍了几种主动电荷平衡方法，这些方法利用蓄能元件转移能量。如果采用电容器作为蓄能元件，则需要许多开关元件将蓄能电容与所有电池连接。相对而言，采用磁场来存储能量的效率更高，这种电路的核心器件是变压器。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

      其构造原理是使用反激转换器（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，避免磁芯材料磁饱和。

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。其限制因素是可能连接数量。 本文所述的变压器原型有28个引脚。
      开关采用OptiMOS 3系列中的MOSFET，它们具有极低的导通电阻，所产生的传导损耗可以忽略不计。
      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接口支持采用普通汽车控制器局域网（CAN）总线协议进行通信，降低了处理器的负荷；硬件乘除算法单元（MDU）提高了运算速度。

平衡方式

      由于变压器可以双向使用，我们可以根据情况采用两种不同的平衡方式。控制电路首先逐个检测所有电池的电压，计算出平均值，然后找出电压与平均值偏差最大的电池。如果该电池的电压低于平均值，则采用下限平衡（bottom-balancing）方法；如果高于平均电压，则使用上限平衡（top-balancing）方法。

1 下限平衡

      图3显示了需要采用下限平衡方法的情形，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

      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，以避免由于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，下限平衡方法可以延长电池组的工作时间。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

      如果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必要。如果没有平衡功能，那么在第一个电池充满后必须立即停止充电。平衡功能使得所有电池的电压维持在同一水平，从而避免上述情况的发生。

      图4所示的例子说明了上限平衡模式下的能量流动情况。在电压检测后，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。由于电感效应，电流随时间线性增大。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间决定。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

      采用英飞凌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平衡电流在整个电池块中产生的功耗仅为2W。因此，这种平衡方式不需要采取专门的冷却措施，同时改善了系统的能量平衡。

电压检测

      为了对每个电池的荷电状态进行管理，每个电池的电压都要加以测量。由于只有1号电池处于微控制器模数转换范围内，因此不能直接测量电池块中其他电池的电压。一种可能的方案是采用差分放大器阵列，但这需要保持整个电池块的电压水平。

下面提出一种只需添加少量硬件就可以检测所有电池电压的方法。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使用。在电压检测模式下，变压器的反激模式没有被使用。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所有绕组。经过一个分立滤波器简单的预处理，检测信号被输入至微控制器ADC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间非常短暂，实际的导通时间可能只有4μs，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通过主晶体管馈回整个电池块，因此电池块的能量不受影响。对全部电池扫描一遍后，一个扫描周期结束，系统回到初始状态。

结语

只有采用适当的电池管理系统，才能充分利用新型锂电池的优势。主动电荷平衡系统的性能显著优于传统的被动方式。对简单变压器的创造性使用，有效降低了材料成本。