专题

解析锂动力电池主动均衡技术及主动均衡电路特性

作者: 来源:《动力电池》杂志7月刊 时间:2019-08-06

[摘要]本文在简介了锂动力电池主动均衡技术优缺点的基础上,重点论述了锂动力电池主动均衡实施方案及基于开关电容、变压器的主动均衡电路。

关键词:主动 均衡 特性


1、主动均衡技术的优缺点


基于主动均衡技术锂动力电池组,无论锂动力电池组在充电、放电还是放置过程中,都可在锂动力电池组内部对于锂动力电池单体之间的差异性进行主动均衡,以消除锂动力电池成组后由于自身和使用过程中产生的各种不一致性。


锂动力电池利用能量转移装置将高能量锂动力电池单体的电量补充到低能量锂动力电池单体中,其实质是运用锂动力电池组内锂动力电池能量可单/双向转移的手段,在锂动力电池组内进行能量转换,以达到改善锂动力电池组内各锂动力电池单体差异性的目的。


主动均衡法的优点:


1)主动均衡电路均衡效率高。

2)充电、放电和静态过程中都做均衡。

3)平衡电流大,均衡速度较快。


主动均衡法的缺点:

1)技术复杂,成本高,实现困难。

2)因需频繁切换均衡电路,对锂动力电池造成的伤害大,影响锂动力电池的寿命。

2、主动均衡实施方案


主动均衡基于能量传递分配的原则,实现了能量主动分配效果,因而能量利用率相比被动均衡高。但其只能在相邻的两节锂动力电池单体之间转移能量,结构相对来说较为复杂,基于变压器的设计以及开关矩阵的设计无疑会使成本增加明显。主动均衡的具体实施方案有很多种,从理念上可以再分成削高填低型和并联均衡型两大类:


(1)削高填低型


削高填低型的实施方案包括:电容式均衡、电感式均衡、变压器式均衡,此三种均衡方式包括锂动力电池在充电过程中的均衡以及静置过程的均衡。


削高填低就是把电压高的锂动力电池单体的能量转移一部分出来,给电压低的锂动力电池单体,从而推迟最低锂动力电池单体电压触及放电截止阈值和最高锂动力电池单体电压触及充电终止阈值的时间,获得系统提升充入电量和放出电量的效果。


但是在这个过程中,高电压锂动力电池单体和低电压锂动力电池单体都额外的进行了充放。对锂动力电池单体而言,额外的充放负担会带来寿命的消耗,但对锂动力电池组而言,总体上是延长了锂动力电池组寿命还是降低了锂动力电池组寿命,目前还没有看到明确的实验数据予以证明。


(2)并联均衡型


并联均衡型是在锂动力电池充电过程中,分流充电电流,给电压低的锂动力电池单体多充电,而电压高的锂动力电池单体少充电。不出现“削高填低”的过程,避免了最高和最低电压锂动力电池单体的额外充放电负担,而影响锂动力电池单体及整个锂动力电池组的寿命。



理想的均衡方式是所有锂动力电池单体能量及端电压相同,并联锂动力电池组内锂动力电池单体电压始终相等。在并联的锂动力电池组中,电压高的锂动力电池单体自发给电压低的锂动力电池单体充电。但串联锂动力电池组内想要应用此原理,就需要改变原锂动力电池组拓扑结构。


并联均衡拓扑结构如图1所示,每节锂动力电池单体都有一个单刀双掷的开关继电器,所以n节串联电池组内需要n+1个继电器。并联均衡控制原理如下:设锂动力电池组内B4电压最高,B2电压最低,控制继电器S5、S3、Q4、Q2闭合,此时两节锂动力电池单体并联,两锂动力电池单体自动均衡,电压趋于一致。该拓扑的缺点是在锂动力电池充电过程中不能进行均衡,只能在静置时进行并联均衡。


3、基于开关电容的均衡电路特性


在每一节锂动力电池并联一个电容,通过开关这个电容既可以并联到这节锂动力电池单体上,也可以并联到相邻锂动力电池单体。当某节锂动力电池电压过高,首先将电容与锂动力电池并联,电容电压与锂动力电池一致,然后将电容切换到相邻的锂动力电池,电容给锂动力电池放电。实现能量的转移。由于电容并不消耗能量,所以可以实现能量的无损转移。


基于电容的均衡电路一般有三种方式,多电容均衡,单电容均衡和双层电容均衡。多电容均衡和单电容均衡原理类似,区别在于多电容电路中的电容只在邻近的两只锂动力电池单体之间切换,而单电容均衡是用开关的不同通断组合,使得电容可以并联在任意一只电芯的两端。


将一只电容并联在高能量锂动力电池单体的两端,部分能量以充电的形式转移到电容上,待到锂动力电池单体与电容电压平衡,开关断开,并将电容转接到低能量锂动力电池单体的两端,待到锂动力电池单体与电容电压平衡,再重复刚才的过程。


锂动力电池单体自身具有内阻,给锂动力电池单体充电的电源电势必须略高于锂动力电池单体的端电势。经过几次转移,电容最后与低能量锂动力电池单体并联时,其压差不能再给锂动力电池单体充电,此时均衡过程宣告结束。


双层电容均衡是在多电容的基础上增加一只并联在整个串联锂动力电池组两端的电容,使得一串锂动力电池的第一节和最后一节的能量转移成为可能,以提高了均衡效率。



基于开关电容均衡的示意图如图2所示,设图2中锂动力电池1、锂动力电池3分别为组内电压最高、最低的锂动力电池单体。在图2中所有开关管为常开,当均衡器发出均衡指令时,功率开关管(|)、Q2闭合,此时锂动力电池1给电容充电,控制功率开关管的占空比可控制充电功率和时间,充电结束后,开关管S3、Q4闭合,电容给锂动力电池3充电,此时锂动力电池组内不均衡度降低,均衡结束。


开关电容均衡充电原理如图3所示,从图3中可以看出,顺序开关驱动电路主要由时钟电路构成,它驱动多路开关顺序闭合,顺序把锂离子锂动力电池单体接入电容器,通过传送锂动力电池单体之间的不平衡能量,达到均衡充电的目的。同时,通过测量电容器上的电压来监测各个锂动力电池单体的电压。


若某个锂动力电池单体发生短路故障,低电压比较器输出开关禁止信号,禁止短路的锂动力电池单体接入电容器,防止影响其他锂动力电池单体正常工作,同时给恒流恒压变换器送入锂动力电池低电压报警信号,使恒流恒压变换器根据锂动力电池单体短路的情况确定正确的恒定电压。


基于电容均衡的电路,在电路失效的时候不会造成锂动力电池的过放,电容均衡电路的最大优点是能源浪费极低,缺点是电路复杂,多路开关的通态电阻、高共模限制都会影响均衡充电的实现,电压压差越小均衡效率越低,可靠性无法保证。另一方面,参数选取比较困难,针对不同的电源系统配置,电路参数需详细的设计与验证,这对研制周期是不利的。


4、基于变压器的均衡电路特性


锂动力电池主动均衡需要一个用于转移能量的存储元件,假如用电容来做存储元件,将其与所有锂动力电池单元相连就需要庞大的开关阵列。有效的方式是将能量存储在一个磁场中,存储元件是一个变压器。其作用是在锂动力电池单体之间转移能量。



基于变压器的均衡电路示意图如图4所示,在图4所示电路中,变压器既作为吸收能量源又作为释放能量源,吸收与释放能量的转换在于能量在磁能与电能之间的转换。设锂动力电池1电压最高,将S1、Q2置1,其他开关管置0,此时变压器作为吸收能量源,将锂动力电池1的电能转换为磁能;S1、Q2置0,Q1、S2置1,能量由初级绕组传递给次级绕组,能量释放给锂动力电池3,能量由磁能转换为电能。


变压器将能量存储在磁场中,其铁氧体磁心中的气隙增大了磁阻,还可以避免磁心材料出现磁饱和。变压器两侧的初级线圈与整个锂动力电池组相连,次级线圈与每个锂动力电池单体相连。


由于变压器可以双向工作,因此可以根据情况采取两种不同的平衡方法。在对所有锂动力电池单体进行电压扫描之后,计算平均值,然后检查电压偏离平均值最大的锂动力电池单体。如果其电压低于平均值,就采用底部平衡法(bottom-balancing),如果其电压高于平均值,就采用顶部平衡法(top-balancing)。


(1)底部均衡法


锂动力电池底部均衡原理如图5所示,若扫描发现锂动力电池单体2是电压最低的锂动力电池单体,必需对其进行均衡。此时闭合主开关(“prim”),锂动力电池组开始对变压器充电。主开关断开后,变压器存储的能量就可以转移至选定的锂动力电池单体。相应的次级(“sec”)开关(在本例中是开关sec2)闭合后,就开始能量转移。


每个周期均包含两个主动脉冲和一个暂停,在本例中,40毫秒周期的转换频率为25kHz。在设计变压器时,其工作频段应在20kHz以上,以避免出现人类听觉频率范围内可感知的啸叫噪音,这种声音是由变压器铁氧体磁心的磁致伸缩导致的。



当某个锂动力电池单体的电压已经达到SoC的下限时,底部均衡法可以延长整个锂动力电池组的工作时间。只要锂动力电池组供应的电流低于平均均衡电流,锂动力电池组就能继续工作,直到最后锂动力电池组能量被耗尽。


(2)顶部均衡法


假如某个锂动力电池单体的电压高于其他锂动力电池单体,那就需要将电压高的锂动力电池单体中的能量导出,均衡之后则可以保持所有锂动力电池单体的电压相等而避免发生过早停止充电。锂动力电池顶部均衡电路如图6所示,在电压扫描之后,发现锂动力电池单体5是整个电路锂动力电池组中电压最高的锂动力电池单体。此时闭合开关5,电流从电路锂动力电池流向变压器。


因为自感的存在,电流随时间线性增大。因自感是变压器的一个固有特征,因此开关的导通时间决定了能够达到的最大电流值。锂动力电池单体中转移出的能量以磁场的形式获得存储。在开关sec5断开后,必需闭合主开关。此时,变压器就从储能模式进入了能量输出模式,能量通过初级线圈送入整个锂动力电池组。


顶部均衡法中的电流和时序条件与底部均衡法非常类似,只是顺序和电流方向与底部均衡法相反。为了治理每个锂动力电池单体的充电状况,必需测量它们各自的电压。在电压扫描模式中没有使用变压器的回扫模式。当S1到Sn这些开关中有一个闭合时,与其相连的锂动力电池单体的电压就转换到变压器的所有绕组中。


在经由一个离散滤波器的简单预处理之后,被测信号就被送入微节制器的ADC输入端口。开关S1到Sn中的某个开封闭合时所产生的测量脉冲持续时间可能异常短,实际导通时间为4μs。


因此,通过这个脉冲存储至变压器中的能量很少。而且在开关断开之后,存储在磁场中的能量都会通过初级晶体管流回整个锂动力电池组。因此锂动力电池组的能量多少并不受影响。在对所有锂动力电池单体进行完一个周期的扫描之后,系统又回到初始状况。

 

 

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