锂离子电池组能量均衡控制.docVIP

锂离子电池已广泛用于便携式电子产品, 如手机、掌上电脑、导航仪、摄像机等和电动车电源上。在电动车上供电电源通常由多个单体电池串联组成电池组以满足设备所需电压和功率要求。在实际使用中, 由于单体电池之间存在着差异, 电池组的容量只能达到最弱的电池容量。在串联电池组中, 虽然通过单体电池的电流相同, 但是由于其容量不同, 电池的放电深度也会不同, 容量大的总会浅充浅放, 而容量小的总会过充过放, 这就造成容量大的衰减缓慢、寿命延长; 容量小的衰减加快, 寿命缩短, 两者之间的差异会越来越大, 造成恶性循环, 因此, 小容量电池的失效会导致电池组的提前失效。为此, 在电池组使用过程中行使对锂离子单体电池能量均衡控制是确保电池组能充分发挥效能的重要保障。人们在潜心研究电池组内单体能量快速双向均衡方案及其控制策略。 ? 1???????? 均衡原理及方案 ? 均衡就是充电过程中使高能单体电池慢冲、低能单体电池快冲, 而在放电过程中, 情形正好反过来。按照均衡过程中均衡元件对能量的消耗情况分为耗散型均衡和非耗散型均衡。 耗散型均衡是通过对电压最高的单体电池分流来实现的。通过检测每只串联电池的电压来判断其在整个电池组中所处的状态, 当它的电压超出总平均电压一定幅度后, 控制与该只电池并联的分流电路导通, 对其进行分流, 这种电路可保证各单体电池不会过充、过放, 从而延长了电池组的使用寿命, 这种类型一般在能量充足、可靠性要求高的场合适用, 但在均衡过程中必须对产生的热量进行管理。还有一种方法是在充电前对每个单体电池均衡放电至同一电平, 然后再进行串联衡流充电, 以此保证各个单体之间较为准确的均衡状态, 这种方法需要开关组来控制能量的切换, 控制复杂, 成本太高。 耗散型均衡可以使用专用控制芯片, 如MAX1894/ MAX1924 适用于3 ~ 4 节锂离子电池; ISL9208 可对7 节单体进行管理;LT C6802 可对多达12 节单体进行管理, 而且芯片具有总线管理功能; S-8204 可对3/ 4 节单体进行管理; X3100 用于4 只串联单体、X3101适用于3 只串联单体等。 非耗散型均衡是将高能单体电池的能量转储在中间储能体上, 然后, 再将转储的能量转储到低能单体电池上。这种方式可以最大限度地减少能量的损耗。非耗散型均衡又可分为转移型均衡和转换型均衡。 非耗散型均衡中的转移型均衡可利用电容或单体电源作为储能元件, 把高能单体的能量先储存在电容或单体电源中, 再将电容或单体电源中存储的能量转移到低能单体上, 从而达到均衡的目的。 非耗散型均衡中的转换型均衡有如下几种类型: 1) 利用电池自身的能量作为均衡输入, 采用多副边逆变电路实现电池组均衡充电; 或采取逆变分压动态充放电均衡控制策略, 以适合于电动汽车电池的在线均衡; 或设计一种非耗能双向均衡充放电系统, 其均衡部分采用同轴线圈和超大电容器作能量中转装置, 实现电池组与单体之间的能量相互转移。这类电路会受变压器副边参数或电感抽头参数一致性的影响。 2) 采用模糊算法控制的buck-boost 均衡电路智能调节单体电池之间的电压差, 实现能量均衡。 3) 集散式动力电池组动态均衡管理系统采用矩阵开关型通道选择电路和DC/ DC 变换模块直接实现单体能量间的转换。可同时实现放电均衡管理, 但电路成本较高。 4) 单体单向快速均衡电路设计, 其控制电路相对简单, 可实现能量从电池组的高电位单体向低电位单体的单向循环流动。为解决单体间能量双向均衡, 一种无损充放电模块被提出。 耗散型均衡方法虽然简单但有大量的能量转化成热能, 故不适用于快充放系统中, 因此, 非耗散型均衡方案中双向、快速、无损耗高效的均衡充电方法才是设计追求的目标。 ? 2???????? 双向无损均衡电路设计 ? 为了解决电池组中相邻单体间能量的双向无损耗快速传递, 双向无损均衡电路如图1 所示。 ? ? ? 电池组中共有n 个单体电池构成, 相邻的单体之间有均衡电路, 共有n- 1 个均衡电路。每个均衡电路负责与之相连的两个单体间能量的均衡。 E1 和E2 两相邻单体电池间进行能量均衡的模态分析如图2 所示。 ? ? ? 图2(a) 中, 假设电池组中电压出现E1 的电压大于E2 的, 即UE1 UE2 , 这时开关管VT 12被连续触发(选定触发信号频率f = 50 kHz, 脉宽D= 0. 4 的触发脉冲) 开通时, 电能储存在L1 中, 当VT12关断时, L1 为了续流, 构成L1 , E2 , VT21 反并联二极管回路, 这样电感L1 中储存的能量就转移到E2 中, 即实现了能量从E1 到E2 的转移。开关管触发与否, 主要看与它相对应单体电池的电压与其邻近单体电池电压的关系, 高于邻近单体