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電池組均衡充電電路的思考

針對電池組均衡充電電路拓撲的設計,國內外研究人員提出了許多種不同的電路拓撲結構。由均衡過程中電路對能量的消耗情況,可將電池組均衡充電電路分為能量耗散型和能量非耗散型兩大類。

1、能量耗散型均衡

能量耗散型均衡是通過在電池組中各單體電池兩端分別并聯分流電阻進行放電,從而實現均衡。分流電阻放電均衡電路是最為直接的均衡技術,該技術是通過分流電阻對容量高的單體電池進行放電,直至所有單體電池容量在同一水平。

如圖2.1所示,可并聯的分流電阻分為兩類。

均衡充電電路

圖2.1(a)稱之為固定電阻放電均衡,并聯在單體磷酸鋰鐵電池兩端的分流電阻將持續對單體電池進行放電,放電電阻Ri=1,2,.…,n)的大小可根據當前單體電池的狀態進行調節。該方法只適用于鉛酸電池、鎳氫電池,原因在于這兩種電池在過充時不會損壞單體電池]。這種電路簡單、成本低,缺點在于無論電池是處于充電狀態還是放電狀態,分流電阻會一直將單體電池能量以熱量的形式消耗掉。一般適用于能量充足、對可靠性要求高的場合,如衛星電源等。

均衡充電電路

圖2.1(b)稱之為開關電阻放電均衡,在此充電過程中,通過并聯在單體電池兩端的均衡開關S(i=1,2,n)和分流電阻R(i=1,2,n)實現對充電電流的調節,均衡電流通過控制均衡開關的占空比或開關周期來實現]。基于該思想Atmel公司推出了用ATA6870集成鋰電池管理芯片構成的開關電阻放電式容量均衡管理方案,如圖2.2所示。ATA6870是一款針對純電動汽車(混合動力汽車)用鋰離子電池測量、監控的電池管理芯片,一塊芯片可支持對6節單體電池電壓、溫度進行檢測,當電池組進行充電時,并聯在單體電池兩端的開關管S由控制芯片ATA6870輸出的6路脈寬調制信號來控制,調制信號的占空比由控制電路根據相應的均衡充電控制策略來進行調整,因而能實現對單體電池充電電流的獨立調節。相比固定電阻放電均衡電路,該電路更有效、可靠性更高,且能適用于鋰離子電池。該方法的缺點是在大容量電池組均衡中存在較嚴重的散熱問題,對鋰離子電池性能影響較大,為此對熱管理要求很高。

上述兩種能量耗散型電路的缺點在于都存在將電池組能量以熱量的形式損耗掉,如果應用于電池組放電時均衡,將縮短電池組的使用里程。因此,上述電路適用于小功率電池組的充電均衡,且電池組的放電電流低于10mA/Ah。

2、能量非耗散型均衡

相對于能量耗散式均衡,能量非耗散式均衡電路能耗更小,但相對電路結構更為復雜。按能量變換方式,可分為能量轉移式均衡和能量轉換式均衡。

①能量轉移式均衡

通過電容或電感等儲能元件,將鋰電池組中容量高的單體電池中的能量轉移到容量低的單體電池上的均衡形式,稱之為能量轉移式均衡。利用電容作儲能元件,目前已發展有三種典型的均衡電路拓撲:開關電容電路、飛渡電容電路、雙層開關電容電路。

1)開關電容法均衡

如圖2.3(a)所示,對于由n節單體電池串聯組成的動力電池組,開關電容法均衡電路需要n-1個電容元件和2n個開關器件。以單體電池B1和B2端電壓不一致為例,控制過程中,存在兩種狀態,狀態“A”和狀態“B”,如下圖2.4所示。

均衡充電電路

在狀態“A”時,開關S1和S3開通;狀態“B”時,關閉開關S1和S3,S2和S4開通。同時,在狀態“A”和狀態“B”中,加入一定的死區時間ta。死區時間ta的大小由式(2.1)決定。

t=maxta()+t,tor(a)+tr)(2.1)

其中,toa()、t分別為開關s的開通延遲和上升延遲時間,toro、tr分別為開關S的關斷延時和下降延時時間。狀態“A”中,C1和B1并聯,C1將會被充放電,最終C1的電壓值和B1一致;狀態B”中,開關S1和S3關斷,S2和S4開通,C1和B2并聯,C1將對B2充放電,經歷幾個周期后,B1和B2端電壓將一致。該電路的缺點是只能用于單體電池間的端電壓均衡,同時只能實現相鄰單體電池間的能量流動,因此當串聯電池數目較多時,均衡時間相對較長。

2)飛渡電容法均衡

均衡充電電路

如圖2.3(b)所示,對于由n節單體電池串聯組成的動力電池組,飛渡電容法拓撲結構只需要1個開關電容元件和n+5個開關器件。控制方法是:控制器將串聯電池組中容量最高的單體電池和容量最低的單體電池對應的開關器件進行切換控制,以此來實現該組電池間能量的流動。然而,該方法現僅在超級電容器組的電壓均衡中得以廣泛應用,對于鋰離子電池組的飛渡電容法均衡研究甚少。

3)雙層電容法均衡

均衡充電電路

如圖2.3(c)所示,雙層電容法均衡電路也是對開關電容法電路的一個推導與變換,區別在于該電路使用了兩層開關電容來實現電池間的能量轉移。對于由n節單體電池串聯組成的動力電池組,雙層電容法需要n個開關電容元件和2n個開關器件。相比較開關電容法均衡電路,該電路的優點是利用增加的外層開關電容,使得單體電池不僅可以和相鄰的單體電池進行電壓均衡,同時還可以和非相鄰的單體電池均衡,因此均衡速度得以提高。

利用電感作儲能元件,目前已提出的典型均衡方法有:開關電感法、雙層開關電感法等。

1)開關電感法均衡

均衡充電電路

如圖2.5(a)所示,對于由n節單體電池串聯組成的動力電池組,開關電感法均衡電路需要需要n-1個電感元件和2(n-1)個開關器件。以圖示3節電池串聯成組為例,當單體電池B2容量高于B1時,對應PWM驅動S?開通,B2給u充電;然后,S2斷開,S1導,電感L1將存儲的能量迪過S1傳遞給B1。相鄰單體的兩個開關管驅動信號互補,同時加入死區,在死區時段,電感L1通過B1和S1的反并聯二極管續流,也是在給B1充電。同樣,單體B2容量高于B3時也采用相同的方式均衡。該均衡電路結構簡單,然而只能實現相鄰單體電池之間的容量均衡,且串聯電池數目較少的場合,如混合動力汽車用動力電池電源。當串聯電池數目較多、首尾兩端的單體電池容量相差較大時,勢必造成均衡時間過長,且均衡效率低下。

2)雙層開關電感法均衡

針對傳統開關電感法均衡時間長的問題,文獻[25]對圖2.5(a)均衡電路進行了改進,如圖2.5(b)所示,將相鄰的兩個單體看做一個,每個單體都通過MOSFET(金屬氧化物半導體場效應管)和一個電感相連,相鄰兩個再形成一組,和另外組再通過一個MOSFET和電感相連,在數目較大時會形成一個環式結構。正是這種結構,使得每個單體不但可以和相鄰單體進行容量均衡,還能和相隔較遠的單體同時進行能量交換,使均衡時間顯著縮短,解決了傳統開關電感法均衡電路均衡速度慢這個最大問題。

②能量轉換式均衡

能量轉換式均衡是經DC-DC變換電路,實現電池組整體(也可經外部輸入電源)向容量低的單體電池進行補充電,也可由容量高的單體電池經隔離變換電路實現向電池組充電,以實現均衡充電的目的。按結構大體可分為兩種:集中式、分布式。

1)集中式均衡

集中式均衡電路,其能量轉換是經一個多輸出的隔離變換器實現對電池組中容量最低的單體電池直接充電。該方案可實現快速均衡,變換器輸入可以是電池組整體,也可從外部電源取得電能進行均衡。

變壓器的原邊和副邊結構很多,典型的有反激和正激式結構,如圖2.6所示,在反激式均衡結構中,當主開關管S開通時,電池組的能量將以磁場能量儲存在變壓器T中;關斷S時,大部分能量將傳遞到變壓器副邊對電池組中電壓最低的單體電池充電。該電路的缺點在于為避免變壓器飽和、以及對開關管S和二極管D的損壞,限制了系統效率的提高,以及對開關管占空比大小的調制,而且,變壓器漏感導致的電壓不平衡使得系統控制不能很好的補償。

在正激式均衡結構中,當檢測到某節單體電池電壓相比電池組平均電壓很大時,對應于并聯在該電池兩端的開關管S開通,能量經變壓器T和反并聯二極管傳遞給其他單體電池。由于多繞組變壓器的繞組共用一個鐵芯,因此漏感等產生的效應不能忽視,集中式均衡結構中變壓器的繞組不能過多,即均衡對象串聯電池組中電池單體數目要求較少。

2)分布式均衡

分布式均衡方案是在每節單體電池兩端均并聯一個均衡充電單元,如圖2.7所示,圖示中DC-DC變換器典型電路有buck-boost電路、反激式DC-DC等。

1)級聯buck-boost 法均衡

傳統開關電感法均衡不適宜串聯電池組數目較多的場合,文獻[26]對其進行改進,提出了級聯buck-boost法均衡電路,如圖2.7(a)所示,該電路在每個單體電池上并聯一個buck-boost電路來分配電流,由圖示電路可知,每個變換器的開關應力降低,使得電路損耗減小。同時,對于由n節單體電池串聯組成的動力電池組,該結構包含有n個子電路,因此,該電路可進行模塊化設計,實用性增強,但控制復雜。

2)多原邊繞組反激變換器均衡

均衡充電電路

與圖2.6(a)示均衡結構采用多副邊繞組共用一個磁芯不同,圖2.7(b)示電路采用了多原邊繞組反激變換器,所有的原邊繞組都是串聯耦合的,同時每個原邊繞組都有獨立的充電控制開關SSR(i=1,2,,n)以實現均衡。假設單體電池B1容量最低,SSR1斷開,SSR2-SSRa開通,主開關管S以一定的占空比導通,S斷開時,電池組電流通過二極管流入B1。

在分布式均衡電路中,反激式變換電路最為實用,優點是均衡效率高、開關元件電壓等級與電池組串聯節數無關,適合于電動汽車用動力鋰離子電池均衡充電場合。

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