锂电池 的主动电荷平衡

平衡方式

由于变压器可以双向使用，我们可以根据情况采用两种不同的平衡方式。控制电路首先逐个检测所有电池的电压，计算出平均值，然后找出电压与平均值偏差最大的电池。如果该电池的电压低于平均值，则采用下限平衡（bottom-balancing）方法；如果高于平均电压，则使用上限平衡（top-balancing）方法。

1 下限平衡

图3显示了需要采用下限平衡方法的情形，其中2号电池被确认为电压最低的电池，需要补充电量。

闭合主绕组开关，电池组向变压器充电。然后断开主绕组开关，闭合相应的次绕组开关（本例中为2号次绕组开关），变压器储存的能量转移到指定的电池上。

图3下限平衡原理

每个周期由2个主动脉冲和1个间隔组成。本例中的周期为40ms，对应的频率为25kHz。变压器的设计工作频率应高于20kHz，以避免由于变压器磁芯的磁弹性产生的噪声。

在某个电池的荷电状态达到下限时，下限平衡方法可以延长电池组的工作时间。只要流出电池组的电流低于平均平衡电流，车辆就可以继续行驶，直至耗尽最后一个电池的电量。

2 上限平衡

如果某个电池的电压高于其他电池，就需要将多余能量从该电池移走，这在充电模式下尤其必要。如果没有平衡功能，那么在第一个电池充满后必须立即停止充电。平衡功能使得所有电池的电压维持在同一水平，从而避免上述情况的发生。

图4所示的例子说明了上限平衡模式下的能量流动情况。在电压检测后，确认5号电池是电池组中电压最高的电池。闭合5号次绕组开关，电流由5号电池流向变压器。由于电感效应，电流随时间线性增大。鉴于电感是变压器的固定特性，最大电流值由开关闭合的时间决定。从5号电池中转移出来的能量被存储在变压器的磁场中。断开5号次绕组开关，闭合主绕组开关，此时变压器转入发电机工作模式，能量通过大型主绕组馈入电池组。

图4上限平衡原理

上限平衡工作模式下的电流和时序与下限平衡类似，只是工作次序和电流的流向与之相反。

平衡功率

采用英飞凌E-Cart中的原型配置，平均平衡点六位5A，比被动方式高50倍，而5A平衡电流在整个电池块中产生的功耗仅为2W。因此，这种平衡方式不需要采取专门的冷却措施，同时改善了系统的能量平衡。

电压检测

为了对每个电池的荷电状态进行管理，每个电池的电压都要加以测量。由于只有1号电池处于微控制器模数转换范围内，因此不能直接测量电池块中其他电池的电压。一种可能的方案是采用差分放大器阵列，但这需要保持整个电池块的电压水平。

下面提出一种只需添加少量硬件就可以检测所有电池电压的方法。变压器的主要作用是电荷平衡，但同时我们也可将它作为多路复用器使用。在电压检测模式下，变压器的反激模式没有被使用。当S1至SN开关中的某一个闭合时，所接通的电池的电压被传输至变压器的所有绕组。经过一个分立滤波器简单的预处理，检测信号被输入至微控制器ADC输入管脚。

S1至SN中的任一开关闭合时所产生的检测脉冲的持续时间非常短暂，实际的导通时间可能只有4μs，因此变压器中存储的能量并不多。当该开关断开后，磁场中存储的能量将通过主晶体管馈回整个电池块，因此电池块的能量不受影响。对全部电池扫描一遍后，一个扫描周期结束，系统回到初始状态。

结语

只有采用适当的电池管理系统，才能充分利用新型锂电池的优势。主动电荷平衡系统的性能显著优于传统的被动方式。对简单变压器的创造性使用，有效降低了材料成本。