锂电池的主动电荷平衡

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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（见图1）。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。

图1锂电池(nanophosphate型)的放电特性

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。如果采用电容器作为蓄能元件，则需要许多开关元件将蓄能电容与所有电池连接。相对而言，采用磁场来存储能量的效率更高，这种电路的核心器件是变压器。英飞凌项目组通过与VOGT电子器件有限公司（VOGT electronic Components GmbH）合作开发出了相应的原型，它可以用于：

● 在电池之间转移能量
　　● 将多个电池电压复用，作为基于地电压的模数转换输入

其构造原理是使用反激转换器（flyback converter）。这种变压器以磁场存储能量，在磁芯中有一个空隙，以提高磁阻，避免磁芯材料磁饱和。

变压器有两个不同的绕组：

● 主绕组与电池组相连

● 次绕组与电池相连