位於慕尼黑的英飛淩科技公司汽車係統工程部門最近接到一項開發E-Cart的任務。E-Cart是(shi)一(yi)種(zhong)可(ke)駕(jia)駛(shi)的(de)車(che)輛(liang)，主(zhu)要(yao)用(yong)於(yu)演(yan)示(shi)混(hun)合(he)動(dong)力(li)汽(qi)車(che)的(de)電(dian)氣(qi)性(xing)能(neng)。該(gai)車(che)將(jiang)采(cai)用(yong)一(yi)組(zu)龐(pang)大(da)的(de)鋰(li)離(li)子(zi)電(dian)池(chi)組(zu)提(ti)供(gong)動(dong)力(li)
，當(dang)時(shi)開(kai)發(fa)人(ren)員(yuan)就(jiu)意(yi)識(shi)到(dao)對(dui)其(qi)進(jin)行(xing)帶(dai)充(chong)電(dian)平(ping)衡(heng)的(de)電(dian)池(chi)管(guan)理(li)是(shi)絕(jue)對(dui)必(bi)要(yao)的(de)。這(zhe)種(zhong)情(qing)況(kuang)下(xia)必(bi)須(xu)采(cai)用(yong)在(zai)各(ge)節(jie)電(dian)池(chi)之(zhi)間(jian)進(jin)行(xing)主(zhu)動(dong)能(neng)量(liang)轉(zhuan)移(yi)的(de)方(fang)式(shi)來(lai)代(dai)替(ti)傳(chuan)統(tong)的(de)簡(jian)單(dan)充(chong)電(dian)平(ping)衡(heng)方(fang)案(an)。他(ta)們(men)開(kai)發(fa)的(de)主(zhu)動(dong)充(chong)電(dian)平(ping)衡(heng)係(xi)統(tong)在(zai)材(cai)料(liao)成(cheng)本(ben)與(yu)被(bei)動(dong)方(fang)案(an)相(xiang)當(dang)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)能(neng)提(ti)供(gong)更(geng)優(you)秀(xiu)的(de)性(xing)能(neng)(見圖1)。

電池係統架構

 

鎳(nie)鎘(ge)電(dian)池(chi)與(yu)隨(sui)後(hou)出(chu)現(xian)的(de)鎳(nie)氫(qing)電(dian)池(chi)多(duo)年(nian)來(lai)一(yi)直(zhi)主(zhu)宰(zai)著(zhe)電(dian)池(chi)市(shi)場(chang)。鋰(li)離(li)子(zi)電(dian)池(chi)是(shi)最(zui)近(jin)才(cai)進(jin)入(ru)市(shi)場(chang)的(de)，但(dan)由(you)於(yu)其(qi)性(xing)能(neng)有(you)極(ji)大(da)提(ti)高(gao)

，因(yin)此(ci)其(qi)市(shi)場(chang)份(fen)額(e)增(zeng)長(chang)非(fei)常(chang)迅(xun)速(su)。鋰(li)離(li)子(zi)電(dian)池(chi)的(de)儲(chu)能(neng)容(rong)量(liang)非(fei)常(chang)驚(jing)人(ren)
，但(dan)即(ji)便(bian)如(ru)此(ci)

，單(dan)個(ge)電(dian)池(chi)單(dan)元(yuan)的(de)容(rong)量(liang)不(bu)論(lun)從(cong)電(dian)壓(ya)還(hai)是(shi)從(cong)電(dian)流(liu)方(fang)麵(mian)仍(reng)都(dou)太(tai)低(di)，不(bu)能(neng)滿(man)足(zu)一(yi)個(ge)混(hun)合(he)動(dong)力(li)發(fa)動(dong)機(ji)的(de)需(xu)要(yao)。並(bing)聯(lian)多(duo)個(ge)電(dian)池(chi)單(dan)元(yuan)可(ke)以(yi)增(zeng)大(da)電(dian)池(chi)所(suo)提(ti)供(gong)的(de)電(dian)流(liu)，串(chuan)聯(lian)多(duo)個(ge)電(dian)池(chi)單(dan)元(yuan)則(ze)可(ke)以(yi)增(zeng)大(da)電(dian)池(chi)提(ti)供(gong)的(de)電(dian)壓(ya)。

 

電池組裝商通常利用一些縮略短語來描述其電池產品，例如“3P50S”代表該電池組中有3個並聯的電池單元、50個串聯的電池單元。

 

模塊化結構在對包含多個串聯電池單元的電池進行管理時是很理想的結構。例如，在一個3P12S的電池陣列中
，每12個電池單元串聯之後就組成了一個模塊(block)。然後
，這些電池單元就可通過一塊以微控製器為核心的電子電路對其進行管理和平衡。

 

這樣一個電池模塊的輸出電壓取決於串聯電池單元的個數和每個電池單元的電壓。鋰離子電池單元的電壓通常在3.3V到3.6V之間
，因此一個電池模塊的電壓約在30V到45V之間。

 

混合動力車的驅動需要450V左右的直流電源電壓。為了根據充電狀態來補償電池單元電壓的變化，比較合適的做法是在電池組和發動機之間連接一個DC-DC轉換器。這個轉換器還可以限製電池組輸出的電流。

 

為確保DC-DC轉換器工作在最佳狀態，要求電池組電壓在150V到300V之間。因此，需要串聯5到8個電池模塊。

 

 

如果電壓超出允許的範圍，鋰離子電池單元就很容易損壞(見圖2)。如果電壓超出了上、下限(以納米磷酸鹽型鋰離子電池為例
，下限電壓為2V
，上限電壓為3.6V)，電池就可能出現不可逆轉的損壞。其結果至少是加快電池的自放電速度。電池輸出電壓在一個很寬的充電狀態(SOC)範fan圍wei內nei都dou是shi穩wen定ding的de

，電dian壓ya偏pian離li安an全quan範fan圍wei的de風feng險xian很hen小xiao。但dan在zai安an全quan範fan圍wei的de兩liang端duan
，充chong電dian曲qu線xian的de起qi伏fu相xiang對dui比bi較jiao陡dou峭qiao。因yin此ci，為wei預yu防fang起qi見jian，必bi須xu嚴yan密mi監jian控kong電dian壓ya。

圖2：鋰離子電池的放電特性(鈉米磷酸鹽型)。

 

如ru果guo電dian壓ya達da到dao一yi個ge臨lin界jie值zhi，就jiu必bi需xu立li即ji停ting止zhi放fang電dian或huo充chong電dian過guo程cheng。在zai一yi個ge強qiang大da的de平ping衡heng電dian路lu的de幫bang助zhu下xia，相xiang關guan電dian池chi單dan元yuan的de電dian壓ya可ke以yi返fan回hui安an全quan範fan圍wei內nei。但dan為wei達da到dao這zhe一yi目mu的de，該gai電dian路lu必bi需xu能neng在zai電dian池chi組zu中zhong任ren何he一yi個ge單dan元yuan的de電dian壓ya開kai始shi與yu其qi他ta單dan元yuan出chu現xian差cha異yi時shi馬ma上shang在zai各ge單dan元yuan之zhi間jian轉zhuan移yi能neng量liang。

 

1.傳統的被動方法：在zai一yi般ban的de電dian池chi管guan理li係xi統tong中zhong，每mei個ge電dian池chi單dan元yuan都dou通tong過guo一yi個ge開kai關guan連lian接jie到dao一yi個ge負fu載zai電dian阻zu。這zhe種zhong被bei動dong電dian路lu可ke以yi對dui個ge別bie被bei選xuan中zhong的de單dan元yuan放fang電dian。但dan該gai方fang法fa隻zhi適shi用yong於yu在zai充chong電dian模mo式shi下xia抑yi製zhi最zui強qiang電dian池chi單dan元yuan的de電dian壓ya攀pan升sheng。為wei限xian製zhi功gong耗hao，此ci類lei電dian路lu一yi般ban隻zhi允yun許xu以yi100mA左右的小電流放電，從而導致充電平衡耗時可高達幾小時。

 

2.主動平衡法：相(xiang)關(guan)資(zi)料(liao)中(zhong)有(you)很(hen)多(duo)種(zhong)主(zhu)動(dong)平(ping)衡(heng)法(fa)，均(jun)需(xu)要(yao)一(yi)個(ge)用(yong)於(yu)轉(zhuan)移(yi)能(neng)量(liang)的(de)存(cun)儲(chu)元(yuan)件(jian)。如(ru)果(guo)用(yong)電(dian)容(rong)來(lai)做(zuo)存(cun)儲(chu)元(yuan)件(jian)，將(jiang)其(qi)與(yu)所(suo)有(you)電(dian)池(chi)單(dan)元(yuan)相(xiang)連(lian)就(jiu)需(xu)要(yao)龐(pang)大(da)的(de)開(kai)關(guan)陣(zhen)列(lie)。更(geng)有(you)效(xiao)的(de)方(fang)法(fa)是(shi)將(jiang)能(neng)量(liang)存(cun)儲(chu)在(zai)一(yi)個(ge)磁(ci)場(chang)中(zhong)。該(gai)電(dian)路(lu)中(zhong)的(de)關(guan)鍵(jian)元(yuan)件(jian)是(shi)一(yi)個(ge)變(bian)壓(ya)器(qi)。電(dian)路(lu)原(yuan)型(xing)是(shi)由(you)英(ying)飛(fei)淩(ling)的(de)開(kai)發(fa)小(xiao)組(zu)與(yu)VOGT電子元件GmbH公司共同開發的。其作用是：

 

a. 在電池單元之間轉移能量

 

b. 將多個單獨的電池單元電壓複接至一個基於地電壓的模數轉換器(ADC)輸入端

 

gaidianlushianzhaohuisaobianyaqiyuanligouzaode。zheleibianyaqinenggoujiangnengliangcunchuzaicichangzhong。qitieyangticixinzhongdeqixizengdalecizu，yincikeyibimiancixincailiaochuxiancibaohe。

 

該變壓器兩側的電路是不同的：

 

a. 初級線圈與整個電池組相連

 

b. 次級線圈與每個電池單元相連

 

該變壓器的一種實用模型支持多達12個電池單元。變壓器的可能連接數量限製了電池單元的個數。上述原型變壓器有28個引腳。

 

其中的開關采用OptiMOS3係列的MOSFET，它們的導通電阻極低
，因此其傳導損耗可以忽略不計(見圖3)。

圖3：電池管理模塊的原理圖

 

圖中的每個模塊都受英飛淩公司的8位先進微控製器XC886CLM控製。這種微控製器自帶閃存程序和一個32KB的數據存儲器。此外
，它還有兩個基於硬件的CAN接口，支持通過公共汽車控製器局域網(CAN)總線協議與下麵的處理器負載通信。它還包含一個基於硬件的乘除法單元
，可用於加快計算過程。

 

 

由於變壓器可以雙向工作，因此我們可以根據情況采取兩種不同的平衡方法。在對所有電池單元進行電壓掃描之後(電壓掃描的細節將在後麵介紹)，計算平均值
，然後檢查電壓偏離平均值最大的電池單元。如果其電壓低於平均值
，就采用底部平衡法(bottom-balancing)，如果其電壓高於平均值，就采用頂部平衡法(top-balancing)。

 

1.底部平衡法：圖4所示例子就是采用的底部平衡法。掃描發現電池單元2是最弱的單元，必須對其進行增強。

圖4：鋰離子電池的底部充電平衡原理

 

此時閉合主開關(“prim”)，電池組開始對變壓器充電。主開關斷開後
，變壓器存儲的能量就可以轉移至選定的電池單元。相應的次級(“sec”)開關——在本例中是開關sec2——閉合後
，就開始能量轉移。

每個周期均包含兩個主動脈衝和一個暫停。在本例中
，40毫秒的周期轉換為頻率就是25kHz。在設計變壓器時，其工作頻段應在20kHz以上，以避免出現人類聽覺頻率範圍內可感知的嘯叫噪音。這種聲音是由變壓器鐵氧體磁心的磁致伸縮導致的。

 

尤其是當某個電池單元的電壓已經達到SoC的(de)下(xia)限(xian)時(shi)
，底(di)部(bu)平(ping)衡(heng)法(fa)能(neng)夠(gou)幫(bang)助(zhu)延(yan)長(chang)整(zheng)個(ge)電(dian)池(chi)組(zu)的(de)工(gong)作(zuo)時(shi)間(jian)。隻(zhi)要(yao)電(dian)池(chi)組(zu)提(ti)供(gong)的(de)電(dian)流(liu)低(di)於(yu)平(ping)均(jun)平(ping)衡(heng)電(dian)流(liu)，車(che)輛(liang)就(jiu)能(neng)繼(ji)續(xu)工(gong)作(zuo)
，直(zhi)到(dao)最(zui)後(hou)一(yi)塊(kuai)電(dian)池(chi)單(dan)元(yuan)也(ye)被(bei)耗(hao)盡(jin)。

 

2.頂部平衡法：ruguomougedianchidanyuandedianyagaoyuqitadanyuan，namejiuxuyaojiangqizhongdenengliangdaochu，zhezaichongdianmoshixiayouqibiyao。ruguobujinxingpingheng，chongdianguochengzaidiyikuaidianchidanyuanchongmanzhihoujiubudebulijitingzhi。caiyongpinghengzhihouzekeyitongguobaochisuoyoudianchidanyuandedianyaxiangdengerbimianfashengguozaotingzhichongdiandeqingkuang。

圖5：鋰離子電池的頂部充電平衡原理

 

圖5給出了頂部平衡模式下的能量流動情況。在電壓掃描之後
，發現電池單元5是整個電池組中電壓最高的單元。此時閉合開關sec5
，電dian流liu從cong電dian池chi流liu向xiang變bian壓ya器qi。由you於yu自zi感gan的de存cun在zai，電dian流liu隨sui時shi間jian線xian性xing增zeng大da。而er由you於yu自zi感gan是shi變bian壓ya器qi的de一yi個ge固gu有you特te性xing，因yin此ci開kai關guan的de導dao通tong時shi間jian就jiu決jue定ding了le能neng夠gou達da到dao的de最zui大da電dian流liu值zhi。電dian池chi單dan元yuan中zhong轉zhuan移yi出chu的de能neng量liang以yi磁ci場chang的de形xing式shi得de到dao存cun儲chu。在zai開kai關guansec5斷開後，必須閉合主開關。此時，變壓器就從儲能模式進入了能量輸出模式。能量通過巨大的初級線圈送入整個電池組。

 

頂部平衡法中的電流和時序條件與底部平衡法非常類似

，隻是順序和電流的方向與底部平衡法相反。

 

 

按照英飛淩E-Cart中的原型配置，平均平衡電流可達5A，比被動平衡法的電流高50倍。在5A的平衡電流下，整個模塊的功耗僅2W
，因此無需專門的冷卻措施，並且進一步改善了係統的能量平衡。

 

為了管理每個電池單元的充電狀態，必須測量它們各自的電壓。由於隻有單元1在微控製器的ADC範(fan)圍(wei)內(nei)
，因(yin)此(ci)模(mo)塊(kuai)中(zhong)其(qi)他(ta)單(dan)元(yuan)的(de)電(dian)壓(ya)無(wu)法(fa)直(zhi)接(jie)測(ce)量(liang)。一(yi)種(zhong)可(ke)能(neng)的(de)方(fang)案(an)是(shi)采(cai)用(yong)一(yi)組(zu)差(cha)分(fen)放(fang)大(da)器(qi)陣(zhen)列(lie)，而(er)且(qie)它(ta)們(men)必(bi)須(xu)支(zhi)持(chi)整(zheng)個(ge)電(dian)池(chi)模(mo)塊(kuai)的(de)電(dian)壓(ya)。

 

下xia文wen中zhong描miao述shu的de方fang法fa隻zhi需xu增zeng加jia很hen少shao量liang的de額e外wai硬ying件jian就jiu能neng測ce量liang所suo有you電dian池chi單dan元yuan的de電dian壓ya。在zai該gai方fang法fa中zhong
，主zhu要yao任ren務wu是shi進jin行xing充chong電dian平ping衡heng的de變bian壓ya器qi同tong時shi也ye被bei用yong做zuo一yi個ge複fu用yong器qi。

 

在電壓掃描模式中沒有使用變壓器的回掃模式。當S1到Sn這些開關中有一個閉合時，與其相連的電池單元的電壓就轉換到變壓器的所有繞組中。

 

在經過一個離散濾波器的簡單預處理之後，被測信號就被送入微控製器的ADC輸入端口。開關S1到Sn中的某個開關閉合時所產生的測量脈衝持續時間可能非常短，實際導通時間為4us。因(yin)此(ci)
，通(tong)過(guo)這(zhe)個(ge)脈(mai)衝(chong)存(cun)儲(chu)至(zhi)變(bian)壓(ya)器(qi)中(zhong)的(de)能(neng)量(liang)很(hen)少(shao)。而(er)且(qie)無(wu)論(lun)如(ru)何(he)在(zai)開(kai)關(guan)斷(duan)開(kai)之(zhi)後(hou)
，存(cun)儲(chu)在(zai)磁(ci)場(chang)中(zhong)的(de)能(neng)量(liang)都(dou)會(hui)通(tong)過(guo)初(chu)級(ji)晶(jing)體(ti)管(guan)流(liu)回(hui)整(zheng)個(ge)電(dian)池(chi)模(mo)塊(kuai)。因(yin)此(ci)電(dian)池(chi)模(mo)塊(kuai)的(de)能(neng)量(liang)多(duo)少(shao)並(bing)不(bu)受(shou)影(ying)響(xiang)。在(zai)對(dui)所(suo)有(you)電(dian)池(chi)單(dan)元(yuan)進(jin)行(xing)完(wan)一(yi)個(ge)周(zhou)期(qi)的(de)掃(sao)描(miao)之(zhi)後(hou)，係(xi)統(tong)又(you)回(hui)到(dao)初(chu)始(shi)狀(zhuang)態(tai)。

 

 

隻zhi有you擁yong有you一yi套tao優you秀xiu的de電dian池chi管guan理li係xi統tong才cai能neng充chong分fen發fa揮hui新xin型xing鋰li離li子zi電dian池chi所suo具ju備bei的de優you勢shi。主zhu動dong充chong電dian平ping衡heng係xi統tong的de性xing能neng遠yuan遠yuan優you於yu傳chuan統tong的de被bei動dong方fang法fa

，而er相xiang對dui簡jian單dan的de變壓器則有助於保持較低的材料成本。