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公司的汽車系統(tǒng)工程部門最近接到了一項開發(fā)電動汽車的任務。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。該車將由一個巨大的鋰離子電池組供應動力，開發(fā)人員了解，一個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)能夠以與強制計劃相同的成本供應優(yōu)越的功能。

電池結構

多年來，鎳鎘電池和鎳氫電池一直主導著電池市場。鋰離子電池最近才進入市場，但它們的市場份額正在迅速上升，因為它們的性能得到了極大改善。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)多個電池可以新增電池供應的電流，串聯(lián)多個電池可以新增電池供應的電壓。

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

模塊化結構是處理包括多個系列電池單元的電池的理想選擇。例如，在一個3P12S電池陣列中，每12個電池串聯(lián)形成一個塊。這些細胞可以通過一個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)的電池數(shù)量和每個電池的電壓。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。

混合動力車的驅動要450伏的直流電源。為了根據(jù)充電狀態(tài)補償電池單元電壓的變化，在電池組和發(fā)動機之間連接dc-dc變換器是合適的。轉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)范圍內是穩(wěn)定的，電壓違反安全范圍的風險很小。但在安全范圍的兩端，充電曲線都相對陡峭。因此，為了預防起見，有必要對電壓進行嚴密監(jiān)控。

假如電壓達到臨界值，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，相關電池的電壓可以返回到一個安全的刻度。但是要做到這一點，電路必須能夠在電池中任何一個電池的電壓開始與其他電池不同的時候在電池之間傳輸能量。

充電平衡法

1.傳統(tǒng)的強制方法:在一般的電池處理系統(tǒng)中，每個電池單元通過一個開關連接到一個負載電阻上。這個強制電路可以放電個別選定的細胞。但是，這種方法只能以充電的形式來抑制最強電池的電壓升高。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，導致充電平衡可能要幾個小時。

2.自動平衡法:在相關的材料中有很多種自動平衡方法，都要一個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巨大的開關陣列。更加有效的方法是在磁場中儲存能量。電路中的關鍵元件是變壓器。樣機由英飛凌開發(fā)團隊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.以基電壓將多個單個電池電壓連接到ADC輸入端

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