锂电池包的主动电荷平衡

总部位于慕尼黑的英飞凌科技股份公司轿车体系工程部分承当了开发E-Cart的使命。这种可供驾驭的车辆将被用来演示混合动力轿车的电气特性。E-Cart将由大型锂离子（Li-ion）电池组进行供电。这样，完成电荷平衡的电池办理的绝对必要性就不难理解了。通过耗散功率完成电荷均衡的传统解决计划将被电池之间的自动能量转移计划所替代。因为现有文献资料只需一些基本原理的阐明，这迫使英飞凌项目组不得不自行开发电荷平衡技术。由此诞生的自动式体系在资料本钱方面远低于传统的被迫解决计划（图1）。

图1：E-Cart原型

1.电池体系架构

多年以来，镍镉电池和随后呈现的镍氢电池技术一直占有主导地位。锂电池仅仅最近几年才进入市场。但是，凭借其杰出的优越性能，其市场份额敏捷攀升。锂电池具有惊人的蓄能容量。尽管如此，因为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求。为添加电流能够待多个电池并联起来。为获得更高的电压，能够把多个电池串联起来。

电池生产商通常以相似“3P50S”字样的缩写词来描绘电池的摆放办法，“3P50S”代表3个电池并联和50个电池串联。

关于有多个电池串联而言，模块化结构是电池办理的抱负挑选。例如，将多达12个电池串联起来，组成3P12S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办理和平衡。

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3.3V和3.6V之间，因而相应电池块的输出电压介于30V和45V之间。

混合动力轿车驱动需求450V左右的直流电源电压。为了补偿因荷电状况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衔接一个DC-DC转化器。该转化器还可限流。

为使DC-DC转化器到达最佳作业状况，电池组的电压应坚持在150V至300V之间。为此，需求将5到8个电池块串联在一起。

2.平衡的必要性

一旦电压超出允许规模，锂电池很简略被损坏（图2）。假如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），电池就可能会遭到不可逆的损坏，至少也会添加电池的自放电率。在适当宽的荷电状况规模内，输出电压能够坚持稳定，因而正常情况下超出安全规模的可能性比较小。但是，在挨近安全规模上限和下限的区域，变化曲线十分陡峭。作为预防办法，仔细监测电压水平十分必要。

图2：锂电池(nanophosphate型)的放电特性

当电池电压挨近临界值时，必须当即停止放电或充电。平衡电路的功用便是调节相应电池的电压，使其坚持在安全区域。为了到达这个目的，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。

3.电荷平衡

3.1传统的被迫平衡办法

在惯例电池办理体系中，每个电池均通过开关与一个负载电阻相连。被迫式平衡电路能够对指定电池单独放电，但这种办法只能在充电形式下抑制电压最高的电池的电压上升。为了限制功耗，一般选用100mA规模内的小电流，这可能导致需求数小时才干完成电荷平衡。

3.2自动平衡

现有文献资料中介绍了几种自动电荷平衡办法，这些办法利用蓄能元件转移能量。假如选用电容器作为蓄能元件，则需求许多开关元件将蓄能电容与一切电池衔接。相对而言，选用磁场来存储能量的功率更高，这种电路的核心器材是变压器。英飞凌项目组通过与VOGT电子器材有限公司（VOGTelectronicComponentsGmbH）合作开发出了相应的原型，它能够用于：

?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化输入

其结构原理是运用反激转化器（flybackconverter）。这种变压器以磁场存储能量，在磁芯中有一个空地，以提高磁阻，避免磁芯资料磁饱和。

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

可行的变压器模型可支撑12个电池。其限制因素是可能衔接数量。本文所述的变压器原型有28个引脚。

开关选用OptiMOS3系列中的MOSFET，它们具有极低的导通电阻，所发生的传导损耗能够忽略不计。

图3：电池办理模块主电路

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接口支撑选用普通轿车控制器局域网（CAN）总线协议进行通讯，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。

4.平衡办法

因为变压器能够双向运用，我们能够根据情况选用两种不同的平衡办法。控制电路首先逐个检测一切电池的电压（详见下文），计算出平均值，然后找出电压与平均值偏差最大的电池。假如该电池的电压低于平均值，则选用下限平衡（bottom-balancing）办法；假如高于平均电压，则运用上限平衡（top-balancing）办法。

4.1下限平衡

图4：下限平衡原理

图4显现了需求选用下限平衡办法的景象，其间2号电池被确认为电压最低的电池，需求补充电量。

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），变压器贮存的能量转移到指定的电池上。

每个周期由2个自动脉冲和1个距离组成。本例中的周期为40毫秒，对应的频率为25kHz。变压器的设计作业频率应高于20kHz，以避免因为变压器磁芯的磁弹性发生的恼人啸声。

在某个电池的荷电状况到达下限时，下限平衡办法能够延伸电池组的作业时间。只需流出电池组的电流低于平均平衡电流，车辆就能够继续行进，直至耗尽最终一个电池的电量。

4.2上限平衡

假如某个电池的电压高于其他电池，就需求将多余能量从该电池移走，这在充电形式下尤其必要。假如没有平衡功用，那么在第一个电池充溢后必须当即停止充电。平衡功用使得一切电池的电压维持在同一水平，然后避免上述情况的发生。

图5：上限平衡原理

图5所示的例子阐明了上限平衡形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。因为电感效应，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作业形式，能量通过大型主绕组馈入电池组。

上限平衡作业形式下的电流和时序与下限平衡相似，仅仅作业次第和电流的流向与之相反。

5.平衡功率

选用英飞凌E-Cart中的原型装备，平均平衡点六位5A，比被迫办法高50倍，而5A平衡电流在整个电池块中发生的功耗仅为2W。因而，这种平衡办法不需求采纳专门的冷却办法，同时改善了体系的能量平衡。

6.电压检测

为了对每个电池的荷电状况进行办理，每个电池的电压都要加以丈量。因为只需1号电池处于微控制器模数转化规模内，因而不能直接丈量电池块中其他电池的电压。

一种可能的计划是选用差分放大器阵列，但这需求坚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能够检测一切电池电压的办法。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运用。

在电压检测形式下，变压器的反激形式没有被运用。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一切绕组。

通过一个分立滤波器简略的预处理，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发生的检测脉冲的持续时间十分短暂，实际的导通时间可能只需4μs，因而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，因而电池块的能量不受影响。对悉数电池扫描一遍后，一个扫描周期完毕，体系回到初始状况。

7.定论

只需选用适当的电池办理体系，才干充分利用新型锂电池的优势。自动电荷平衡体系的性能显著优于传统的被迫办法。对简略变压器的创造性运用，有效降低了资料本钱。