鋰離子電池組的主動充電平衡法分析
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鋰離子電池組的主動充電平衡法分析  2012/3/1
位于慕尼黑的英飛凌科技公司汽車系統工程部門最近接到一項開發E-Cart的任務。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,當時開發人員就意識到對其進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電池之間進行主動能量轉移的方式來代替傳統的簡單充電平衡方案。他們開發的主動充電平衡系統在材料成本與被動方案相當的情況下能提供更優秀的性

位于慕尼黑的英飛凌科技公司汽車系統工程部門最近接到一項開發E-Cart的任務。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,當時開發人員就意識到對其進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電池之間進行主動能量轉移的方式來代替傳統的簡單充電平衡方案。他們開發的主動充電平衡系統在材料成本與被動方案相當的情況下能提供更優秀的性能(見圖1)。

圖1:E-Cart原型

電池系統架構

鎳鎘電池與隨后出現的鎳氫電池多年來一直主宰著電池市場。鋰離子電池是最近才進入市場的,但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,不能滿足一個混合動力發動機的需要。并聯多個電池單元可以增大電池所提供的電流,串聯多個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品,例如“3P50S”代表該電池組中有3個并聯的電池單元、50個串聯的電池單元。

模塊化結構在對包含多個串聯電池單元的電池進行管理時是很理想的結構。例如,在一個3P12S的電池陣列中,每12個電池單元串聯之后就組成了一個模塊(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行管理和平衡。

這樣一個電池模塊的輸出電壓取決于串聯電池單元的個數和每個電池單元的電壓。鋰離子電池單元的電壓通常在3.3V到3.6V之間,因此一個電池模塊的電壓約在30V到45V之間。

混合動力車的驅動需要450V左右的直流電源電壓。為了根據充電狀態來補償電池單元電壓的變化,比較合適的做法是在電池組和發動機之間連接一個DC-DC轉換器。這個轉換器還可以限制電池組輸出的電流。

為確保DC-DC轉換器工作在最佳狀態,要求電池組電壓在150V到300V之間。因此,需要串聯5到8個電池模塊。

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),電池就可能出現不可逆轉的損壞。其結果至少是加快電池的自放電速度。電池輸出電壓在一個很寬的充電狀態(SOC)范圍內都是穩定的,電壓偏離安全范圍的風險很小。但在安全范圍的兩端,充電曲線的起伏相對比較陡峭。因此,為預防起見,必須嚴密監控電壓。

 

圖2:鋰離子電池的放電特性(鈉米磷酸鹽型)。

如果電壓達到一個臨界值,就必需立即停止放電或充電過程。在一個強大的平衡電路的幫助下,相關電池單元的電壓可以返回安全范圍內。但為達到這一目的,該電路必需能在電池組中任何一個單元的電壓開始與其他單元出現差異時馬上在各單元之間轉移能量。

充電平衡法

1.傳統的被動方法:在一般的電池管理系統中,每個電池單元都通過一個開關連接到一個負載電阻。這種被動電路可以對個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,從而導致充電平衡耗時可高達幾小時。

2.主動平衡法:相關資料中有很多種主動平衡法,均需要一個用于轉移能量的存儲元件。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陣列。更有效的方法是將能量存儲在一個磁場中。該電路中的關鍵元件是一個變壓器。電路原型是由英飛凌的開發小組與VOGT電子元件GmbH公司共同開發的。其作用是:

a. 在電池單元之間轉移能量

b. 將多個單獨的電池單元電壓復接至一個基于地電壓的模數轉換器(ADC)輸入端

該電路是按照回掃變壓器原理構造的。這類變壓器能夠將能量存儲在磁場中。其鐵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磁飽和。

該變壓器兩側的電路是不同的:

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