〖技术〗 锂离子电池组的主动充电平衡法全面解析
位于慕尼黑的英飞凌科技股份公司汽车系统工程部最近接到了开发 E-Cart 的任务。 E-Cart 是一种可驾驶车辆，主要用于演示混合动力汽车的电气性能。 该汽车将由大型锂离子电池组供电，开发人员当时意识到具有充电平衡功能的电池管理是绝对必要的。 在这种情况下，必须使用电池之间的主动能量转移，而不是传统的简单电荷平衡方案。 他们开发的主动电荷平衡系统可以在与被动解决方案相同的材料成本下提供更好的性能（见图 1）。
图 1：E-Cart 原型
电池系统架构
镍镉电池以及后来的镍氢电池多年来主导着电池市场。 锂离子电池最近才进入市场，但由于性能大幅提高，其市场份额正在快速增长。 锂离子电池的储能能力令人惊叹，但即便如此，单个电池单元的容量在电压和电流方面仍然太低，无法满足混合动力发动机的需求。 并联多个电池单元可以增加电池提供的电流，串联多个电池单元可以增加电池提供的电压。
电池组装商经常使用缩写来描述他们的电池产品。 例如“3P50S”表示电池组有3个并联电池芯和50个串联电池芯。
当管理包含多个串联电池的电池时，模块化结构是理想的选择。 例如，在3P12S电池阵列中，每12个电池芯串联后形成一个模块（块）。 然后，这些电池由以微控制器为核心的电子电路进行管理和平衡。
这种电池模块的输出电压取决于串联连接的电池单元的数量和每个电池单元的电压。 锂离子电池芯的电压通常在3.3V至3.6V之间，因此电池模块的电压大约在30V至45V之间。
混合动力汽车的驱动需要约450V的直流电源电压。 为了补偿电池单元电压随充电状态的变化，适合在电池组和发动机之间连接 DC-DC 转换器。 该转换器还限制电池组的电流输出。
为确保DC-DC转换器最佳工作，电池组电压要求在150V至300V之间。 因此，需要串联5至8个电池模块。
平衡的需要
如果电压超过允许范围，锂离子电池芯很容易损坏（见图2）。 如果电压超过上下限（以纳米磷酸盐锂离子电池为例，下限电压为2V，上限电压为3.6V），电池可能会受到不可逆的损坏。 结果至少是电池更快的自放电。 电池输出电压在较宽的荷电状态（SOC）范围内稳定，电压偏离安全范围的风险很小。 但在安全范围的两端，充电曲线的起伏比较陡峭。 因此，必须密切监测电压以防万一。
图2：锂离子电池（纳米磷酸盐型）的放电特性
如果电压达到临界值，则必须立即停止放电或充电过程。 借助强大的平衡电路，可以使相关电池单元的电压恢复到安全范围。 但要实现这一目标，一旦电池组中任何电池的电压开始与其他电池不同，电路就必须能够在电池之间传输能量。
电荷平衡法
传统的无源方法：在典型的电池管理系统中，每个电池单元通过开关连接到负载电阻。 该无源电路可以对单个选定的电池进行放电。 但该方法仅适用于抑制充电模式下最强电芯的电压上升。 为了限制功耗，此类电路一般只允许以100mA左右的小电流放电，导致电荷平衡长达数小时。
2、主动平衡方法：相关资料中有多种主动平衡方法，都需要存储元件来传输能量。 如果使用电容器作为存储元件，则需要巨大的开关阵列将它们连接到所有电池单元。 更有效的方法是将能量存储在磁场中。 该电路的关键元件是变压器。 该电路原型由英飞凌开发团队与 VOGT GmbH 共同开发。 其作用是：
A。 在电池单元之间传输能量
b. 将多个单独的电池电压多路传输至接地模数转换器 (ADC) 输入
该电路是根据反激变压器原理构建的。 这种类型的变压器将能量存储在磁场中。 铁氧体磁芯中的气隙增加了磁阻，从而防止磁芯材料的磁饱和。
变压器两侧的电路不同：
A。 初级线圈连接到整个电池组
b. 次级线圈连接到每个电池单元
该变压器的一种实用型号最多可支持 12 个电池单元。 变压器的可能连接数量限制了电池单元的数量。 上面的原型变压器有 28 个引脚。
这些开关是串联的，它们的导通电阻极低，因此它们的传导损耗可以忽略不计（见图 3）。
图3：电池管理模块示意图
图中的每个模块均由英飞凌的 8 位高级微控制器控制。 该微控制器配有闪存程序存储器和 32KB 数据存储器。 此外，它还具有两个基于硬件的 CAN 接口，支持通过总线控制器局域网 (CAN) 总线协议与底层处理器负载进行通信。 它还包含一个基于硬件的乘法和除法单元，可用于加速计算过程。
平衡的方法
由于变压器可以双向工作，我们可以根据情况采取两种不同的平衡方法。 对所有电芯进行电压扫描后（电压扫描的细节将在后面介绍），计算平均值，然后检查电压偏离平均值最大的电芯。 如果其电压低于平均值，则采用底部平衡方法（-），如果其电压高于平均值，则采用顶部平衡方法（top-）。
底部平衡法：图4所示的例子就是采用的底部平衡法。 扫描发现2号电池是最弱的电池，必须加强。
图4：锂离子电池底部充电平衡原理
此时，主开关（“prim”）闭合，电池组开始为变压器充电。 一旦主开关打开，存储在变压器中的能量就可以转移到选定的电池单元。 当相应的辅助（“sec”）开关（在本例中为开关 sec2）闭合时，能量传输开始。
每个周期由两个活动脉冲和一个暂停组成。 在此示例中，40 毫秒的周期转换为 25kHz 的频率。 设计变压器时，其工作频段应在20kHz以上，以避免在人耳可听频率范围内出现可察觉的啸叫噪声。 这种声音是由变压器铁氧体磁芯的磁致伸缩引起的。
特别是当某个电芯的电压已经达到SoC的下限时，底部均衡方法可以帮助延长整个电池组的工作时间。 只要电池组提供的电流小于平均平衡电流，车辆就可以继续运行，直到最后一个电池耗尽。
2、顶平衡法：如果某个电池单元的电压高于其他单元的电压，则需要输出能量，这在充电模式下尤其必要。 如果没有平衡，一旦第一个电池充满电，充电过程就必须停止。 平衡通过保持所有电池单元的电压相等来防止过早停止充电。
图5：锂离子电池顶部电荷平衡原理
图 5 显示了顶部平衡模式下的能量流。 电压扫描后发现5号电芯是整个电池组中电压最高的电芯。 此时，开关sec5闭合，电流从电池流向变压器。 由于自感的存在，电流随时间线性增加。 由于自感是变压器的固有特性，因此开关的导通时间决定了可以达到的最大电流值。 从电池单元传输的能量以磁场的形式存储。 开关 sec5 打开后，必须闭合主开关。 此时变压器从储能模式进入能量输出模式。 能量通过巨大的初级线圈输送到整个电池组。
顶部平衡法的电流和时序条件与底部平衡法非常相似，只是电流的顺序和方向与底部平衡法相反。
平衡功率和电压扫描
根据英飞凌E-Cart中的原型配置，平均平衡电流可达5A，比被动平衡方式的电流高出50倍。 在5A平衡电流下，整个模块功耗仅为2W，无需特殊的散热措施，进一步提高了系统的能量平衡。
为了管理每个电池的充电状态，必须测量它们各自的电压。 由于只有电池 1 在微控制器的 ADC 范围内，因此无法直接测量模块中其他电池的电压。 一种可能的解决方案是使用差分放大器阵列，并且它们必须支持整个电池模块的电压。
下面描述的方法仅需要少量的额外硬件来测量所有电池单元的电压。 在该方法中，主要任务是电荷平衡的变压器也被用作多路复用器。
电压扫描模式下不使用变压器的反激模式。 当开关S1至Sn之一闭合时，与其连接的电池单元的电压被传输至变压器的所有绕组。
经过离散滤波器的简单预处理后，测量信号被发送到微控制器的ADC输入端口。 开关S1至Sn之一闭合时产生的测量脉冲的持续时间可能很短，实际导通时间为4us。 因此，该脉冲存储到变压器中的能量非常少。 而且无论如何，开关打开后，磁场中存储的能量会通过初级晶体管流回整个电池模块。 因此，电池模块的能量不受影响。 对所有电池进行一个周期的扫描后，系统返回到初始状态。
本文摘要
只有拥有优秀的电池管理系统，才能充分发挥新型锂离子电池的优势。 有源电荷平衡系统的性能远远优于传统的无源方法，而相对简单的变压器有助于保持较低的材料成本。