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串联锂电池组的均衡

作者:后台  来源:本站  发表时间:2017-6-13 8:38:48  浏览

作为为电动汽车提供动力的大功率锂电池组,为了保证整个电池组的容量,对电池进行均衡管理是必要的。

市场上各种各样的电池管理IC都提供了电压均衡管理功能,用户只需外接部分元器件就可以实现。但是遗憾的是,大多数电池管理IC采用的都是用电阻分流/耗电的方式来实现各个电池间的平衡。这种方式在小功率的电池组,比如笔记本,手持设备,或者电动自行车用电池都是可以接受的。但是对于上百安时的电池,将电量白白消耗掉实在是浪费,而且对于宣传“环保/节能”的电动汽车来讲,多少也有点说不过去。

实际上,在铅酸电池时代,对于电池组的均衡已经出现了各种各样的方式。下面主要是针对锂电池组,介绍几种可行的均衡方式。

1,电阻分流/耗能/bleeding/shutting

这种方式是市面上最常见,也是最简单的方式。在09年的电动自行车展上展出的锂电池组用的保护板,也包括电动汽车用的保护板,它们的均衡方式都是用电阻实现的。原因也很简单:容易实现,没有更好的办法。其实也是成本最低的方式。

电路原理如下图:

这是一张缩略图,按住CTRL滚动鼠标滚轮可自由缩放

原理非常简单,控制器会实时监测各节电池的电压,如果发现某一节电压过高,并且达到了均衡开启的条件,该电池对应的开关就会打开,这时该电池对应的电阻上就会有电流流过。如果当时是在充电,那么流过电池的电流就会减少,该电池充电速度减慢,最终跟其它电池的电压相同;如果当时是在放电或者闲置,那么该电池的电量会在对应的电阻上消耗掉,最终电压下降,达到与其它电池相同的水平。

当然了,均衡条件可以自己设定,也可以设定只在充电时执行均衡功能。

这种方法最大的优点是:成本低,结构简单,容易实现。对于没有研发能力的小公司,这也是现存唯一的方式。而缺点也是同样明显:浪费能量,发热,而且均衡效率低,因为靠电阻消耗能量毕竟需要时间,在大功率电池组的情况下,这一点也不得不考虑。

实际上,现在很多大公司,如Ti,英飞凌等公司已经实现了更高级的均衡方式,使得能量使用效率更高,均衡速度更快的方式。而Ti在这方面已经开发出了专用IC—bq78PL114,下一节来介绍这款IC采用的主动平衡:PowerPump cell balancing。

上次介绍了现在应用最广泛最简单的锂离子电池均衡方法,当然其它各种均衡方法也一直存在,只不过因为大容量锂电池一直没有推广,而且很多厂家没有实力来产品化这些技术,所以市场上很少见。幸运的是,Ti已经将其中一种主动平衡方式集成到专用IC中,虽然使用CPU也可以实现,但是软件的可靠性毕竟不如硬件,而且这样产品化就变得简单了。下面简单介绍一下。

下面是bq78PL114 ApplicationNote里的原理图:

这是一张缩略图,按住CTRL滚动鼠标滚轮可自由缩放

实际上原理很简单,在Ti的多篇文档里都有介绍。

当V3高于V2时,P3S端连接的IC管脚输出PWM。在PWM OFF时,Q1导通,V3通过Q1与电感构成回路(如图红线所示)。消耗V3的电力,这时电感内电流上升,能量储存在电感内。在PWM ON时,Q1截止,此时V2通过Q2内的二极管与电感凑成续流回路(如图蓝线所示)。此时储存在电感内的电流下降,能量转移至V2。至此,能量由V3转移至V2的过程完成,知道两者电压相等时PWM关闭。

下图是对一组2Ah的锂电池进行均衡时的波形。使用固定占空比的PWM,可以看出电感内的电流变化,以及被均衡的电池电压纹波,在充电阶段,电压有上升的现象。

这是一张缩略图,按住CTRL滚动鼠标滚轮可自由缩放


对于PWM频率,占空比,电感容量的选择,三者是相互关联的。Ti的IC推荐频率是200kHz,这样可以减小电感,从而降低成本。



这个方式需要的PWM数量是2×(n-1),n是电池数量。相对还是比较多的。而且能量转移只能从一节电池转移到与它相邻的电池。如果电池数量多的话,控制算法还是相当复杂的。当然了,既然Ti已经把算法IC化,那么关键问题只是成本而已。

但是使用bq78PL114+BQ76PL102,最多可以管理8节电池。如果电动汽车需要80节,那么需要10个这样的电池组分别管理。这样的话,成本又增加了。所以这款IC应该是针对手持设备,或者笔记本电池,或者电动自行车电池比较合适。



还有一种利用电容储存电量进行能量转移的方法,但是控制逻辑更加复杂,因为使用的开关更多,而且控制出错的话容易发生短路,所以不做介绍。

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