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锂电池组的主动电荷平衡-2

锂电池组的主动电荷平衡-2

4.  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(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。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。

4.1  下限平衡

图4:下限平衡原理
图 4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。

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40毫秒,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恼人啸声。

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。

4.2  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5:上限平衡原理
图 5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。

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。

5.  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。

6.  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4 μs,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。

7.  结论

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。
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