锂离子电池主动均衡技术
近海
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2019.12.30
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锂离子电池在生产过程中,因生产工艺和材料问题而导致电芯之间的参数不一致,比如内阻、容量、开路电压等,而且这些参数的不一致性在使用过程中会逐渐劣化。如果不进行控制,随着充放电循环的增加,各单体电池电压逐渐分化,使用寿命将大大缩减。因此,BMS系统都有电池均衡功能,利用电子技术使锂离子电池单体电压保持在预期的范围内,从而保证每个单体电池在正常使用时保持相同状态,避免过充、过放的发生。电池均衡方法分为主动均衡和被动均衡。被动均衡一般通过电阻放电的方式,对电压较高的电池进行放电,以热量的形式释放电量,为其它电池争取更多的充电时间,电路比较简单,均衡电流小。主动均衡是以电量转移的方式进行均衡,效率高、损失小、均衡电流大,但技术难度大、成本高。本文介绍一下目前常见的几种电池主动均衡方法。

1. 电容式均衡

电容式均衡电路使用电容作为能量转移的载体,通过控制开关的切换,完成单体电池之间的能量转移,分为开关电容式均衡和飞渡电容式均衡两种方法。

1.1 开关电容式均衡

开关电容式均衡电路的拓扑结构如下图所示,控制单元控制开关左右切换,相邻的两个单体电池在中间电容的协助下进行能量均衡,并最终实现串联电池组的能量均衡,如果有N节电池则需要N-1个均衡电容。这种均衡电路的优点是无需电压检测电路,控制难度较小,并可以根据电池数量任意扩展。缺点是能量的传递只能在相邻两个电池间进行,均衡时间长。

1.2飞渡电容式均衡

飞渡电容式均衡电路的拓扑结构如下图所示。与开关电容式均衡电路相比,飞渡电容式均衡电路只需要一个均衡电容,通过切换开关,均衡电容能够在最高电压电芯和最低电压电芯之间切换,能量从最高电压电池转移到最低电压电池,从而实现串联电池组的均衡。这种均衡电路的优点是能量能够直接从最高储能电池转移到最低储能电池,均衡效果比较明显,均衡速度快。这种电路的缺点是需要大量的开关阵列并频繁通断,开关噪声较大,而且这种方法需要对单体电池电压进行实施检测,确定开关通断,控制策略复杂。

2. 电感式均衡

电感式均衡电路拓扑采用模块化均衡的思想,锂离子电芯依次串联,两个相邻的电芯之间通过非隔离式DC/DC变换器相连,相邻单体电芯与均衡单元构成均衡模块。由于单向电感主动均衡电路的开关管数量少,只需要一个引脚就能控制能量传递,所以控制电路简单,选用此电路拓扑能量传递方向只能由上至下单向传递。为了克服顶端电池与底端电池的电位差,需要在底端附加反激式变换器将能量返送至顶端,整个电路构成环形结构。对于包含N节电芯的电池组来说,主动均衡开关、功率电感、续流二极管数量分别为N、N-1和N。环形拓扑的优点在于所有的DC/DC变换器独立工作,且非隔离变换器可以做成紧凑轻型,电芯和转换器都可以从电池组中添加和删除,因此拓扑很容易监测和扩展。

3. 变压器式均衡

变压器均衡分为单绕组变压器均衡和多绕组变压器均衡。

3.1 单绕组变压器均衡

如下图所示为单绕组变压器均衡电路,匝数比为N:1的变压器与二极管构成了均衡电路中的主要均衡元件。当检测电路检测到某个单体电芯的电压过低时,控制单元发出均衡信号,相应的均衡开关导通,高压电芯中的能量通过变压器转移到低压电芯中,从而实现整个电池组能量的均衡。

单绕组变压器均衡电路结构简单,变压器数量少,但是控制电路复杂,而且需要电压检测电路。

3.2 多绕组变压器均衡

如下图所示为多绕组变压器均衡电路,在该电路中,为每个单体电芯配置了一个变压器和一个整流二极管。当控制单元发出均衡信号时,均衡开关S1以一定的频率开始动作,匝数比相同的变压器会保证各单体电芯电压的一致。串联电池组中的能量将自动在各单体电芯之间进行均匀分配,从而完成电池组能量的均衡。

多绕组变压器均衡电路只需要一个开关,控制电路简单,而且不需要电压检测电路,但是需要与电芯数量相匹配的变压器,所以均衡系统体积大、成本高、不易安装。

以上介绍了目前常用的几种锂离子电池的主动均衡电路,分析了每种均衡电路的工作原理及其优点和缺点。在具体设计电池均衡系统时,需要根据电池包的参数特点选择合适的均衡电路。

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