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,车辆就可以继环型电感续行驶,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平电感厂家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感器生产电池电压的方法。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,磁场电感器厂家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。
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