關(guān)鍵詞：主動(dòng) 均衡 特性

1、主動(dòng)均衡技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)

    基于主動(dòng)均衡技術(shù)鋰動(dòng)力電池組，無(wú)論鋰動(dòng)力電池組在充電、放電還是放置過(guò)程中，都可在鋰動(dòng)力電池組內部對于鋰動(dòng)力電池單體之間的差異性進(jìn)行主動(dòng)均衡，以消除鋰動(dòng)力電池成組后由于自身和使用過(guò)程中產(chǎn)生的各種不一致性。

    鋰動(dòng)力電池利用能量轉移裝置將高能量鋰動(dòng)力電池單體的電量補充到低能量鋰動(dòng)力電池單體中，其實(shí)質(zhì)是運用鋰動(dòng)力電池組內鋰動(dòng)力電池能量可單/雙向轉移的手段，在鋰動(dòng)力電池組內進(jìn)行能量轉換，以達到改善鋰動(dòng)力電池組內各鋰動(dòng)力電池單體差異性的目的。

主動(dòng)均衡法的優(yōu)點(diǎn)：

1）主動(dòng)均衡電路均衡效率高。

2）充電、放電和靜態(tài)過(guò)程中都做均衡。

3）平衡電流大，均衡速度較快。

主動(dòng)均衡法的缺點(diǎn)：

1）技術(shù)復雜，成本高，實(shí)現困難。

2）因需頻繁切換均衡電路，對鋰動(dòng)力電池造成的傷害大，影響鋰動(dòng)力電池的壽命。

 

2、主動(dòng)均衡實(shí)施方案

    主動(dòng)均衡基于能量傳遞分配的原則，實(shí)現了能量主動(dòng)分配效果，因而能量利用率相比被動(dòng)均衡高。但其只能在相鄰的兩節鋰動(dòng)力電池單體之間轉移能量，結構相對來(lái)說(shuō)較為復雜，基于變壓器的設計以及開(kāi)關(guān)矩陣的設計無(wú)疑會(huì )使成本增加明顯。主動(dòng)均衡的具體實(shí)施方案有很多種，從理念上可以再分成削高填低型和并聯(lián)均衡型兩大類(lèi)：

（1）削高填低型

    削高填低型的實(shí)施方案包括：電容式均衡、電感式均衡、變壓器式均衡，此三種均衡方式包括鋰動(dòng)力電池在充電過(guò)程中的均衡以及靜置過(guò)程的均衡。

    削高填低就是把電壓高的鋰動(dòng)力電池單體的能量轉移一部分出來(lái)，給電壓低的鋰動(dòng)力電池單體，從而推遲最低鋰動(dòng)力電池單體電壓觸及放電截止閾值和最高鋰動(dòng)力電池單體電壓觸及充電終止閾值的時(shí)間，獲得系統提升充入電量和放出電量的效果。

    但是在這個(gè)過(guò)程中，高電壓鋰動(dòng)力電池單體和低電壓鋰動(dòng)力電池單體都額外的進(jìn)行了充放。對鋰動(dòng)力電池單體而言，額外的充放負擔會(huì )帶來(lái)壽命的消耗，但對鋰動(dòng)力電池組而言，總體上是延長(cháng)了鋰動(dòng)力電池組壽命還是降低了鋰動(dòng)力電池組壽命，目前還沒(méi)有看到明確的實(shí)驗數據予以證明。

（2）并聯(lián)均衡型

    并聯(lián)均衡型是在鋰動(dòng)力電池充電過(guò)程中，分流充電電流，給電壓低的鋰動(dòng)力電池單體多充電，而電壓高的鋰動(dòng)力電池單體少充電。不出現“削高填低”的過(guò)程，避免了最高和最低電壓鋰動(dòng)力電池單體的額外充放電負擔，而影響鋰動(dòng)力電池單體及整個(gè)鋰動(dòng)力電池組的壽命。

    理想的均衡方式是所有鋰動(dòng)力電池單體能量及端電壓相同，并聯(lián)鋰動(dòng)力電池組內鋰動(dòng)力電池單體電壓始終相等。在并聯(lián)的鋰動(dòng)力電池組中，電壓高的鋰動(dòng)力電池單體自發(fā)給電壓低的鋰動(dòng)力電池單體充電。但串聯(lián)鋰動(dòng)力電池組內想要應用此原理，就需要改變原鋰動(dòng)力電池組拓撲結構。

    并聯(lián)均衡拓撲結構如圖1所示，每節鋰動(dòng)力電池單體都有一個(gè)單刀雙擲的開(kāi)關(guān)繼電器，所以n節串聯(lián)電池組內需要n+1個(gè)繼電器。并聯(lián)均衡控制原理如下：設鋰動(dòng)力電池組內B4電壓最高，B2電壓最低，控制繼電器S5、S3、Q4、Q2閉合，此時(shí)兩節鋰動(dòng)力電池單體并聯(lián)，兩鋰動(dòng)力電池單體自動(dòng)均衡，電壓趨于一致。該拓撲的缺點(diǎn)是在鋰動(dòng)力電池充電過(guò)程中不能進(jìn)行均衡，只能在靜置時(shí)進(jìn)行并聯(lián)均衡。

 

3、基于開(kāi)關(guān)電容的均衡電路特性

    在每一節鋰動(dòng)力電池并聯(lián)一個(gè)電容，通過(guò)開(kāi)關(guān)這個(gè)電容既可以并聯(lián)到這節鋰動(dòng)力電池單體上，也可以并聯(lián)到相鄰鋰動(dòng)力電池單體。當某節鋰動(dòng)力電池電壓過(guò)高，首先將電容與鋰動(dòng)力電池并聯(lián)，電容電壓與鋰動(dòng)力電池一致，然后將電容切換到相鄰的鋰動(dòng)力電池，電容給鋰動(dòng)力電池放電。實(shí)現能量的轉移。由于電容并不消耗能量，所以可以實(shí)現能量的無(wú)損轉移。

    基于電容的均衡電路一般有三種方式，多電容均衡，單電容均衡和雙層電容均衡。多電容均衡和單電容均衡原理類(lèi)似，區別在于多電容電路中的電容只在鄰近的兩只鋰動(dòng)力電池單體之間切換，而單電容均衡是用開(kāi)關(guān)的不同通斷組合，使得電容可以并聯(lián)在任意一只電芯的兩端。

    將一只電容并聯(lián)在高能量鋰動(dòng)力電池單體的兩端，部分能量以充電的形式轉移到電容上，待到鋰動(dòng)力電池單體與電容電壓平衡，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，并將電容轉接到低能量鋰動(dòng)力電池單體的兩端，待到鋰動(dòng)力電池單體與電容電壓平衡，再重復剛才的過(guò)程。

    鋰動(dòng)力電池單體自身具有內阻，給鋰動(dòng)力電池單體充電的電源電勢必須略高于鋰動(dòng)力電池單體的端電勢。經(jīng)過(guò)幾次轉移，電容最后與低能量鋰動(dòng)力電池單體并聯(lián)時(shí)，其壓差不能再給鋰動(dòng)力電池單體充電，此時(shí)均衡過(guò)程宣告結束。

    雙層電容均衡是在多電容的基礎上增加一只并聯(lián)在整個(gè)串聯(lián)鋰動(dòng)力電池組兩端的電容，使得一串鋰動(dòng)力電池的第一節和最后一節的能量轉移成為可能，以提高了均衡效率。

    基于開(kāi)關(guān)電容均衡的示意圖如圖2所示，設圖2中鋰動(dòng)力電池1、鋰動(dòng)力電池3分別為組內電壓最高、最低的鋰動(dòng)力電池單體。在圖2中所有開(kāi)關(guān)管為常開(kāi)，當均衡器發(fā)出均衡指令時(shí)，功率開(kāi)關(guān)管S1(參數|圖片)、Q2閉合，此時(shí)鋰動(dòng)力電池1給電容充電，控制功率開(kāi)關(guān)管的占空比可控制充電功率和時(shí)間，充電結束后，開(kāi)關(guān)管S3、Q4閉合，電容給鋰動(dòng)力電池3充電，此時(shí)鋰動(dòng)力電池組內不均衡度降低，均衡結束。

    開(kāi)關(guān)電容均衡充電原理如圖3所示，從圖3中可以看出，順序開(kāi)關(guān)驅動(dòng)電路主要由時(shí)鐘電路構成，它驅動(dòng)多路開(kāi)關(guān)順序閉合，順序把鋰離子鋰動(dòng)力電池單體接入電容器，通過(guò)傳送鋰動(dòng)力電池單體之間的不平衡能量，達到均衡充電的目的。同時(shí)，通過(guò)測量電容器上的電壓來(lái)監測各個(gè)鋰動(dòng)力電池單體的電壓。

    若某個(gè)鋰動(dòng)力電池單體發(fā)生短路故障，低電壓比較器輸出開(kāi)關(guān)禁止信號，禁止短路的鋰動(dòng)力電池單體接入電容器，防止影響其他鋰動(dòng)力電池單體正常工作，同時(shí)給恒流恒壓變換器送入鋰動(dòng)力電池低電壓報警信號，使恒流恒壓變換器根據鋰動(dòng)力電池單體短路的情況確定正確的恒定電壓。

    基于電容均衡的電路，在電路失效的時(shí)候不會(huì )造成鋰動(dòng)力電池的過(guò)放，電容均衡電路的最大優(yōu)點(diǎn)是能源浪費極低，缺點(diǎn)是電路復雜，多路開(kāi)關(guān)的通態(tài)電阻、高共模限制都會(huì )影響均衡充電的實(shí)現，電壓壓差越小均衡效率越低，可靠性無(wú)法保證。另一方面，參數選取比較困難，針對不同的電源系統配置，電路參數需詳細的設計與驗證，這對研制周期是不利的。

 

4、基于變壓器的均衡電路特性

    鋰動(dòng)力電池主動(dòng)均衡需要一個(gè)用于轉移能量的存儲元件，假如用電容來(lái)做存儲元件，將其與所有鋰動(dòng)力電池單元相連就需要龐大的開(kāi)關(guān)陣列。有效的方式是將能量存儲在一個(gè)磁場(chǎng)中，存儲元件是一個(gè)變壓器。其作用是在鋰動(dòng)力電池單體之間轉移能量。

    基于變壓器的均衡電路示意圖如圖4所示，在圖4所示電路中，變壓器既作為吸收能量源又作為釋放能量源，吸收與釋放能量的轉換在于能量在磁能與電能之間的轉換。設鋰動(dòng)力電池1電壓最高，將S1、Q2置1，其他開(kāi)關(guān)管置0，此時(shí)變壓器作為吸收能量源，將鋰動(dòng)力電池1的電能轉換為磁能；S1、Q2置0，Q1、S2置1，能量由初級繞組傳遞給次級繞組，能量釋放給鋰動(dòng)力電池3，能量由磁能轉換為電能。

    變壓器將能量存儲在磁場(chǎng)中，其鐵氧體磁心中的氣隙增大了磁阻，還可以避免磁心材料出現磁飽和。變壓器兩側的初級線(xiàn)圈與整個(gè)鋰動(dòng)力電池組相連，次級線(xiàn)圈與每個(gè)鋰動(dòng)力電池單體相連。

    由于變壓器可以雙向工作，因此可以根據情況采取兩種不同的平衡方法。在對所有鋰動(dòng)力電池單體進(jìn)行電壓掃描之后，計算平均值，然后檢查電壓偏離平均值最大的鋰動(dòng)力電池單體。如果其電壓低于平均值，就采用底部平衡法(bottom-balancing)，如果其電壓高于平均值，就采用頂部平衡法(top-balancing)。

（1）底部均衡法

    鋰動(dòng)力電池底部均衡原理如圖5所示，若掃描發(fā)現鋰動(dòng)力電池單體2是電壓最低的鋰動(dòng)力電池單體，必需對其進(jìn)行均衡。此時(shí)閉合主開(kāi)關(guān)(“prim”)，鋰動(dòng)力電池組開(kāi)始對變壓器充電。主開(kāi)關(guān)斷開(kāi)后，變壓器存儲的能量就可以轉移至選定的鋰動(dòng)力電池單體。相應的次級(“sec”)開(kāi)關(guān)（在本例中是開(kāi)關(guān)sec2）閉合后，就開(kāi)始能量轉移。

    每個(gè)周期均包含兩個(gè)主動(dòng)脈沖和一個(gè)暫停，在本例中，40毫秒周期的轉換頻率為25kHz。在設計變壓器時(shí)，其工作頻段應在20kHz以上，以避免出現人類(lèi)聽(tīng)覺(jué)頻率范圍內可感知的嘯叫噪音，這種聲音是由變壓器鐵氧體磁心的磁致伸縮導致的。

    當某個(gè)鋰動(dòng)力電池單體的電壓已經(jīng)達到SoC的下限時(shí)，底部均衡法可以延長(cháng)整個(gè)鋰動(dòng)力電池組的工作時(shí)間。只要鋰動(dòng)力電池組供應的電流低于平均均衡電流，鋰動(dòng)力電池組就能繼續工作，直到最后鋰動(dòng)力電池組能量被耗盡。

（2）頂部均衡法

    假如某個(gè)鋰動(dòng)力電池單體的電壓高于其他鋰動(dòng)力電池單體，那就需要將電壓高的鋰動(dòng)力電池單體中的能量導出，均衡之后則可以保持所有鋰動(dòng)力電池單體的電壓相等而避免發(fā)生過(guò)早停止充電。鋰動(dòng)力電池頂部均衡電路如圖6所示，在電壓掃描之后，發(fā)現鋰動(dòng)力電池單體5是整個(gè)電路鋰動(dòng)力電池組中電壓最高的鋰動(dòng)力電池單體。此時(shí)閉合開(kāi)關(guān)5，電流從電路鋰動(dòng)力電池流向變壓器。

    因為自感的存在，電流隨時(shí)間線(xiàn)性增大。因自感是變壓器的一個(gè)固有特征，因此開(kāi)關(guān)的導通時(shí)間決定了能夠達到的最大電流值。鋰動(dòng)力電池單體中轉移出的能量以磁場(chǎng)的形式獲得存儲。在開(kāi)關(guān)sec5斷開(kāi)后，必需閉合主開(kāi)關(guān)。此時(shí)，變壓器就從儲能模式進(jìn)入了能量輸出模式，能量通過(guò)初級線(xiàn)圈送入整個(gè)鋰動(dòng)力電池組。

    頂部均衡法中的電流和時(shí)序條件與底部均衡法非常類(lèi)似，只是順序和電流方向與底部均衡法相反。為了治理每個(gè)鋰動(dòng)力電池單體的充電狀況，必需測量它們各自的電壓。在電壓掃描模式中沒(méi)有使用變壓器的回掃模式。當S1到Sn這些開(kāi)關(guān)中有一個(gè)閉合時(shí)，與其相連的鋰動(dòng)力電池單體的電壓就轉換到變壓器的所有繞組中。

    在經(jīng)由一個(gè)離散濾波器的簡(jiǎn)單預處理之后，被測信號就被送入微節制器的ADC輸入端口。開(kāi)關(guān)S1到Sn中的某個(gè)開(kāi)封閉合時(shí)所產(chǎn)生的測量脈沖持續時(shí)間可能異常短，實(shí)際導通時(shí)間為4μs。

    因此，通過(guò)這個(gè)脈沖存儲至變壓器中的能量很少。而且在開(kāi)關(guān)斷開(kāi)之后，存儲在磁場(chǎng)中的能量都會(huì )通過(guò)初級晶體管流回整個(gè)鋰動(dòng)力電池組。因此鋰動(dòng)力電池組的能量多少并不受影響。在對所有鋰動(dòng)力電池單體進(jìn)行完一個(gè)周期的掃描之后，系統又回到初始狀況。