鋰電池管理系統的研究與實現 — 鋰電池管理系統的硬件實現

3.5均衡模塊原理與方案設計

3.5.1國內外鋰電池組的均衡方法綜述

當鋰離子電池組由多個單體電池串聯使用時，即使單節(jié)電池的性能再優(yōu)良、質量再好，若配組使用的各單體電池特性不一致，都會導致電池組內部各單體電池過充和過放情況的嚴重不一致，就內部單體電池而言，串聯使用比單個使用更容易發(fā)生過充和過放現象，且不易發(fā)現。任意一個電池的特性加劇惡化時，將導致電池組內其它電池發(fā)生多米諾骨牌效應的連鎖性、加劇性損壞。電池組的品質由其中質量最差的一只電池決定，一只電池質量差不僅影響了整個電池組的性能，還會引起惡性的連鎖反應，使差的更差，好的也會迅速變差。為解決上述問題，目前通用的做法是將單體電池精選配對，組合成優(yōu)質的電池組，最大限度地減小單體電池間的差異。

就算動力鋰離子電池組解決了配組的前期技術問題，電池組在使用中亦會使其特性產生變化，目前對電池組在使用中由于特性變化產生的導致電池組整體特性急劇衰退和部分電池加速損壞的現象，并無有效的解決辦法，只能在電池組充、放電過程中檢測到有一個電池處于過充或過放狀態(tài)，保護電路就將整個充、放電電路關斷。由于上述原因，動力鋰離子電池組在實際使用中(特別是充電時)解決各單節(jié)鋰電池在電池組中的平衡問題極為重要。目前國外采用的均衡方法主要有：能耗的方法和無能耗的方法。

3.5.1.1能耗均衡方法

典型的方法是利用發(fā)熱電阻旁路分流，旁路分流均衡法原理圖如圖3-9所示。B1、B2……Bn為組成鋰離子電池組的各單元電池，K1、K2……Kn為MCU控制的多路開關，R1、R2…… Rn，為放電平衡電阻。當電池組充電時充電電流I在各節(jié)電池中都相等。當某節(jié)(例如：B2)電池電壓高于其他電池超過某值時，MCU控制的多路開關K2合上，B2通過R2分流，使B2電壓下降，如此反復循環(huán)n次使得鋰離子電池組各單元電池能平衡充電。此方案簡單、可靠，但電阻會消耗電能并發(fā)熱，使用中需注意選取電阻阻值及功率，其最大的缺點是放電(工作)使用中，各單元平衡則白白消耗了鋰離子電池組的電能。

3.5.1.2無能耗的均衡方無能耗的均衡方法是利用一個活動的分流元件或電壓或者電流轉換器件來將能量從一節(jié)單體轉移到另一節(jié)單體。這些器件可以是模擬的，也可以是數字的。兩種主要的方法是電容平衡和能量轉換。

電容平衡原理圖如圖3-9所示。B1、B2……Bn為組成鋰離子電池組的各單元電池，K1、K2……Kn為MCU控制的多路開關，C為平衡電容。當電池組充電時，若某節(jié)(例如：B2)電池電壓高于其他電池超過某值、而B3最低，MCU控制的多路開關K2，K3合上，KA、KB都切換在a點，B2通過K2、K3、KA、KB向C充電，在C充滿電后，MCU控制的多路開關K3、K4合上，KA、KB切換都在b點，電容C通過K4、K3、KA、KB向B3釋放電能，使B2電壓下降，B3電壓上升，如此反復循環(huán)n次使得鋰離子電池組各單元電池能平衡充電。此方案亦較為簡單、可靠，但使用中應注意掌握好電容充放電時間，其最大的優(yōu)點是充、放電(工作)使用中，都可平衡各單元電池的功能，且不消耗鋰離子電池組的電能。

用能量轉換進行單體均衡是采用電感線圈或變壓器來將能量從一節(jié)或一組電池轉移到另一節(jié)或一組電池。兩種積極的能量轉換方法是開關變壓器方法和共享變壓器方法。

開關變壓器方法共享一個與前面快速電容器相同的開關。拓撲如圖3-10.整個電池組的電流I流入變壓器T，變壓器的輸出經過二極管D校正后流入單體Bn.這由開關S的設置來決定，此外還需要一個電子控制器件來選擇目標電池和設置開關S.