锂电池组的主动电荷平衡技术
电池系统架构
多年以来,镍镉电池和随后出现的镍氢电池技术一直占据市场主导地位。锂电池只是最近几
年才进入市场。然而,凭借其突出的优越性能,其市场份额迅速攀升。锂电池具有惊人的蓄
能容量,但单个电池的电压和电流都太低,不足以满足混合动力电机的需要。为增加电流需
将多个电池并联起来,为获得更高的电压,则要把多个电池串联起来。
电池生产商通常以类似
“3P 50S”字样的缩写词来描述电池的排列方式,“3P 50S”代表 3 个电
池并联和
50 个电池串联。对于有多个电池串联而言,模块化结构是电池管理的理想选择。例
如,将多达
12 个电池串联起来,组成 3P 12S 阵列中的一个电池块(block)。这些电池的电
荷由一个带有微处理器的电子电路进行管理和平衡。电池块的输出电压由串联电池的数量和
电池电压决定。单个锂电池的电压一般介于
3.3~3.6V 之间,因此相应电池块的输出电压介
于
30~45V 之间。
混合动力汽车驱动需要
450V 左右的直流电源电压。为了补偿因荷电状态不同而引起的电池
电压差异,在电池组和电机驱动装置之间连接一个
DC/DC 转换器。该转换器还可限流。为使
DC/DC 转换器达到最佳工作状态,电池组的电压应保持在 150~300V 之间。为此,需要将
5~8 个电池块串联在一起。
平衡的必要性
一旦电压超出允许范围,锂电池很容易被损坏。如果超出电压的上限和下限(例如
nanophosphate 锂电池的电压上限和下限分别为 3.6V 和 2V),电池就可能会受到不可逆的
损坏,至少也会增加电池的自放电率。在相当宽的荷电状态范围内,输出电压可以保持稳定,
因此正常情况下超出安全范围的可能性比较小。但是,在接近安全范围上限和下限的区域,
变化曲线非常陡峭。作为预防措施,仔细监测电压水平非常必要。
当电池电压接近临界值时,必须立即停止放电或充电。平衡电路的功能就是调节相应电池的
电压,使其保持在安全区域。为了达到这个目的,当电池组中任一电池的电压与其他电池不
同时,就必须将能量在电池之间进行转移。
电荷平衡
1 传统的被动平衡方式
在常规电池管理系统中,每个电池均通过开关与一个负载电阻相连。被动式平衡电路可以对
指定电池单独放电,但这种方式只能在充电模式下抑制电压最高的电池的电压上升。为了限
制功耗,一般采用
100mA 内的小电流,这可能导致需要数小时才能完成电荷平衡。
2 主动平衡
现有文献资料中介绍了几种主动电荷平衡方法,这些方法利用蓄能元件转移能量。如果采用