锂电池组的主动电荷平衡.doc

一览电池英才网一览电池英才网（ 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一览电池英才网一览电池英才网（ 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一览电池英才网一览电池英才网（ 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 (本文转自电子工程世界：。