淺析鋰離子電池的主動充電平衡方法

位于慕尼黑的英飛凌技術(shù)公司的汽車系統(tǒng)工程部門最近接到了一項(xiàng)開發(fā)電動汽車的任務(wù)。e-cart是一種可駕駛的車輛，重要用于展示混合動力汽車的電動性能。該車將由一個(gè)巨大的鋰離子電池組供應(yīng)動力，開發(fā)人員了解，一個(gè)平衡的電池是必要的。在這種情況下，有必要選擇電池之間的自動能量轉(zhuǎn)移，而不是傳統(tǒng)的簡單的充電平衡方法。他們開發(fā)的自充電平衡系統(tǒng)能夠以與強(qiáng)制計(jì)劃相同的成本供應(yīng)優(yōu)越的功能。

電池結(jié)構(gòu)

多年來，鎳鎘電池和鎳氫電池一直主導(dǎo)著電池市場。鋰離子電池最近才進(jìn)入市場，但它們的市場份額正在迅速上升，因?yàn)樗鼈兊男阅艿玫搅藰O大改善。鋰離子電池有令人印象深刻的存儲能力，但即便如此，單個(gè)電池的容量太低，無論是電壓還是電流，都不能滿足混合動力引擎的需求。并聯(lián)多個(gè)電池可以新增電池供應(yīng)的電流，串聯(lián)多個(gè)電池可以新增電池供應(yīng)的電壓。

電池組裝者通常用縮寫詞來描述他們的電池產(chǎn)品，比如3P50S，意思是電池組有三個(gè)平行的電池單元和50個(gè)串聯(lián)的電池單元。

模塊化結(jié)構(gòu)是處理包括多個(gè)系列電池單元的電池的理想選擇。例如，在一個(gè)3P12S電池陣列中，每12個(gè)電池串聯(lián)形成一個(gè)塊。這些細(xì)胞可以通過一個(gè)以微控制器為中心的電子電路來控制和平衡。

這種電池模塊的輸出電壓取決于串聯(lián)的電池?cái)?shù)量和每個(gè)電池的電壓。鋰離子電池的電壓通常在3.3v到3.6v之間，所以電池模塊的電壓大約在30V到45V之間。

混合動力車的驅(qū)動要450伏的直流電源。為了根據(jù)充電狀態(tài)補(bǔ)償電池單元電壓的變化，在電池組和發(fā)動機(jī)之間連接dc-dc變換器是合適的。轉(zhuǎn)換器還可以限制電池組的電流輸出。

為了保證dc-dc變換器工作在最佳狀態(tài)，電池組電壓要求在150V~300V之間。因此，要5到8個(gè)電池模塊串聯(lián)。

平衡的必要性

假如電壓超過允許的大小,鋰離子電池很容易損壞(見圖2)。假如電壓超過上限和下限(nano-phosphate的鋰離子電池,下限是2v和上限是3.6v),電池可能會遭受不可挽回的損害。結(jié)果，至少，是加速電池的自我放電。電池的輸出電壓在寬充電狀態(tài)(SOC)范圍內(nèi)是穩(wěn)定的，電壓違反安全范圍的風(fēng)險(xiǎn)很小。但在安全范圍的兩端，充電曲線都相對陡峭。因此，為了預(yù)防起見，有必要對電壓進(jìn)行嚴(yán)密監(jiān)控。

假如電壓達(dá)到臨界值，則必須立即停止放電或充電過程。在穩(wěn)健的平衡電路的幫助下，相關(guān)電池的電壓可以返回到一個(gè)安全的刻度。但是要做到這一點(diǎn)，電路必須能夠在電池中任何一個(gè)電池的電壓開始與其他電池不同的時(shí)候在電池之間傳輸能量。

充電平衡法

1.傳統(tǒng)的強(qiáng)制方法:在一般的電池處理系統(tǒng)中，每個(gè)電池單元通過一個(gè)開關(guān)連接到一個(gè)負(fù)載電阻上。這個(gè)強(qiáng)制電路可以放電個(gè)別選定的細(xì)胞。但是，這種方法只能以充電的形式來抑制最強(qiáng)電池的電壓升高。為了限制功耗，這種電路通常只允許以大約100mA的小電流放電，導(dǎo)致充電平衡可能要幾個(gè)小時(shí)。

2.自動平衡法:在相關(guān)的材料中有很多種自動平衡方法，都要一個(gè)儲存元件來承載能量。假如使用電容作為存儲元件，將其連接到任何電池單元將要一個(gè)巨大的開關(guān)陣列。更加有效的方法是在磁場中儲存能量。電路中的關(guān)鍵元件是變壓器。樣機(jī)由英飛凌開發(fā)團(tuán)隊(duì)與沃格特電子元件有限公司合作開發(fā)。它的功能是:

A.在電池單元之間傳遞能量

B.以基電壓將多個(gè)單個(gè)電池電壓連接到ADC輸入端

該電路是根據(jù)反向掃描變壓器原理構(gòu)造的。這種變壓器可以在磁場中儲存能量。