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电池组均衡充电电路的思考

针对电池组均衡充电电路拓扑的设计,国内外研究人员提出了许多种不同的电路拓扑结构。由均衡过程中电路对能量的消耗情况,可将电池组均衡充电电路分为能量耗散型和能量非耗散型两大类。

1、能量耗散型均衡

能量耗散型均衡是通过在电池组中各单体电池两端分别并联分流电阻进行放电,从而实现均衡。分流电阻放电均衡电路是最为直接的均衡技术,该技术是通过分流电阻对容量高的单体电池进行放电,直至所有单体电池容量在同一水平。

如图2.1所示,可并联的分流电阻分为两类。

均衡充电电路

图2.1(a)称之为固定电阻放电均衡,并联在单体磷酸锂铁电池两端的分流电阻将持续对单体电池进行放电,放电电阻Ri=1,2,.…,n)的大小可根据当前单体电池的状态进行调节。该方法只适用于铅酸电池、镍氢电池,原因在于这两种电池在过充时不会损坏单体电池]。这种电路简单、成本低,缺点在于无论电池是处于充电状态还是放电状态,分流电阻会一直将单体电池能量以热量的形式消耗掉。一般适用于能量充足、对可靠性要求高的场合,如卫星电源等。

均衡充电电路

图2.1(b)称之为开关电阻放电均衡,在此充电过程中,通过并联在单体电池两端的均衡开关S(i=1,2,n)和分流电阻R(i=1,2,n)实现对充电电流的调节,均衡电流通过控制均衡开关的占空比或开关周期来实现]。基于该思想Atmel公司推出了用ATA6870集成锂电池管理芯片构成的开关电阻放电式容量均衡管理方案,如图2.2所示。ATA6870是一款针对纯电动汽车(混合动力汽车)用锂离子电池测量、监控的电池管理芯片,一块芯片可支持对6节单体电池电压、温度进行检测,当电池组进行充电时,并联在单体电池两端的开关管S由控制芯片ATA6870输出的6路脉宽调制信号来控制,调制信号的占空比由控制电路根据相应的均衡充电控制策略来进行调整,因而能实现对单体电池充电电流的独立调节。相比固定电阻放电均衡电路,该电路更有效、可靠性更高,且能适用于锂离子电池。该方法的缺点是在大容量电池组均衡中存在较严重的散热问题,对锂离子电池性能影响较大,为此对热管理要求很高。

上述两种能量耗散型电路的缺点在于都存在将电池组能量以热量的形式损耗掉,如果应用于电池组放电时均衡,将缩短电池组的使用里程。因此,上述电路适用于小功率电池组的充电均衡,且电池组的放电电流低于10mA/Ah。

2、能量非耗散型均衡

相对于能量耗散式均衡,能量非耗散式均衡电路能耗更小,但相对电路结构更为复杂。按能量变换方式,可分为能量转移式均衡和能量转换式均衡。

①能量转移式均衡

通过电容或电感等储能元件,将锂电池组中容量高的单体电池中的能量转移到容量低的单体电池上的均衡形式,称之为能量转移式均衡。利用电容作储能元件,目前已发展有三种典型的均衡电路拓扑:开关电容电路、飞渡电容电路、双层开关电容电路。

1)开关电容法均衡

如图2.3(a)所示,对于由n节单体电池串联组成的动力电池组,开关电容法均衡电路需要n-1个电容元件和2n个开关器件。以单体电池B1和B2端电压不一致为例,控制过程中,存在两种状态,状态“A”和状态“B”,如下图2.4所示。

均衡充电电路

在状态“A”时,开关S1和S3开通;状态“B”时,关闭开关S1和S3,S2和S4开通。同时,在状态“A”和状态“B”中,加入一定的死区时间ta。死区时间ta的大小由式(2.1)决定。

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

其中,toa()、t分别为开关s的开通延迟和上升延迟时间,toro、tr分别为开关S的关断延时和下降延时时间。状态“A”中,C1和B1并联,C1将会被充放电,最终C1的电压值和B1一致;状态B”中,开关S1和S3关断,S2和S4开通,C1和B2并联,C1将对B2充放电,经历几个周期后,B1和B2端电压将一致。该电路的缺点是只能用于单体电池间的端电压均衡,同时只能实现相邻单体电池间的能量流动,因此当串联电池数目较多时,均衡时间相对较长。

2)飞渡电容法均衡

均衡充电电路

如图2.3(b)所示,对于由n节单体电池串联组成的动力电池组,飞渡电容法拓扑结构只需要1个开关电容元件和n+5个开关器件。控制方法是:控制器将串联电池组中容量最高的单体电池和容量最低的单体电池对应的开关器件进行切换控制,以此来实现该组电池间能量的流动。然而,该方法现仅在超级电容器组的电压均衡中得以广泛应用,对于锂离子电池组的飞渡电容法均衡研究甚少。

3)双层电容法均衡

均衡充电电路

如图2.3(c)所示,双层电容法均衡电路也是对开关电容法电路的一个推导与变换,区别在于该电路使用了两层开关电容来实现电池间的能量转移。对于由n节单体电池串联组成的动力电池组,双层电容法需要n个开关电容元件和2n个开关器件。相比较开关电容法均衡电路,该电路的优点是利用增加的外层开关电容,使得单体电池不仅可以和相邻的单体电池进行电压均衡,同时还可以和非相邻的单体电池均衡,因此均衡速度得以提高。

利用电感作储能元件,目前已提出的典型均衡方法有:开关电感法、双层开关电感法等。

1)开关电感法均衡

均衡充电电路

如图2.5(a)所示,对于由n节单体电池串联组成的动力电池组,开关电感法均衡电路需要需要n-1个电感元件和2(n-1)个开关器件。以图示3节电池串联成组为例,当单体电池B2容量高于B1时,对应PWM驱动S?开通,B2给u充电;然后,S2断开,S1导,电感L1将存储的能量迪过S1传递给B1。相邻单体的两个开关管驱动信号互补,同时加入死区,在死区时段,电感L1通过B1和S1的反并联二极管续流,也是在给B1充电。同样,单体B2容量高于B3时也采用相同的方式均衡。该均衡电路结构简单,然而只能实现相邻单体电池之间的容量均衡,且串联电池数目较少的场合,如混合动力汽车用动力电池电源。当串联电池数目较多、首尾两端的单体电池容量相差较大时,势必造成均衡时间过长,且均衡效率低下。

2)双层开关电感法均衡

针对传统开关电感法均衡时间长的问题,文献[25]对图2.5(a)均衡电路进行了改进,如图2.5(b)所示,将相邻的两个单体看做一个,每个单体都通过MOSFET(金属氧化物半导体场效应管)和一个电感相连,相邻两个再形成一组,和另外组再通过一个MOSFET和电感相连,在数目较大时会形成一个环式结构。正是这种结构,使得每个单体不但可以和相邻单体进行容量均衡,还能和相隔较远的单体同时进行能量交换,使均衡时间显著缩短,解决了传统开关电感法均衡电路均衡速度慢这个最大问题。

②能量转换式均衡

能量转换式均衡是经DC-DC变换电路,实现电池组整体(也可经外部输入电源)向容量低的单体电池进行补充电,也可由容量高的单体电池经隔离变换电路实现向电池组充电,以实现均衡充电的目的。按结构大体可分为两种:集中式、分布式。

1)集中式均衡

集中式均衡电路,其能量转换是经一个多输出的隔离变换器实现对电池组中容量最低的单体电池直接充电。该方案可实现快速均衡,变换器输入可以是电池组整体,也可从外部电源取得电能进行均衡。

变压器的原边和副边结构很多,典型的有反激和正激式结构,如图2.6所示,在反激式均衡结构中,当主开关管S开通时,电池组的能量将以磁场能量储存在变压器T中;关断S时,大部分能量将传递到变压器副边对电池组中电压最低的单体电池充电。该电路的缺点在于为避免变压器饱和、以及对开关管S和二极管D的损坏,限制了系统效率的提高,以及对开关管占空比大小的调制,而且,变压器漏感导致的电压不平衡使得系统控制不能很好的补偿。

在正激式均衡结构中,当检测到某节单体电池电压相比电池组平均电压很大时,对应于并联在该电池两端的开关管S开通,能量经变压器T和反并联二极管传递给其他单体电池。由于多绕组变压器的绕组共用一个铁芯,因此漏感等产生的效应不能忽视,集中式均衡结构中变压器的绕组不能过多,即均衡对象串联电池组中电池单体数目要求较少。

2)分布式均衡

分布式均衡方案是在每节单体电池两端均并联一个均衡充电单元,如图2.7所示,图示中DC-DC变换器典型电路有buck-boost电路、反激式DC-DC等。

1)级联buck-boost 法均衡

传统开关电感法均衡不适宜串联电池组数目较多的场合,文献[26]对其进行改进,提出了级联buck-boost法均衡电路,如图2.7(a)所示,该电路在每个单体电池上并联一个buck-boost电路来分配电流,由图示电路可知,每个变换器的开关应力降低,使得电路损耗减小。同时,对于由n节单体电池串联组成的动力电池组,该结构包含有n个子电路,因此,该电路可进行模块化设计,实用性增强,但控制复杂。

2)多原边绕组反激变换器均衡

均衡充电电路

与图2.6(a)示均衡结构采用多副边绕组共用一个磁芯不同,图2.7(b)示电路采用了多原边绕组反激变换器,所有的原边绕组都是串联耦合的,同时每个原边绕组都有独立的充电控制开关SSR(i=1,2,,n)以实现均衡。假设单体电池B1容量最低,SSR1断开,SSR2-SSRa开通,主开关管S以一定的占空比导通,S断开时,电池组电流通过二极管流入B1。

在分布式均衡电路中,反激式变换电路最为实用,优点是均衡效率高、开关元件电压等级与电池组串联节数无关,适合于电动汽车用动力锂离子电池均衡充电场合。

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