一种基于变压器的电动汽车电池主动均衡方案设计

作者：英飞凌集成电路(北京)有限公司资深系统工程师 荣睿；英飞凌科技（中国）有限公司应用工程师何耀华

引言

新能源汽车体系内，无论是混合动力（HEV）还是电动汽车（EV）离不开作为储能介质的动力电池，目前锂离子电池已经占据了汽车动力电池的主导地位，为了实现更长的续航里程，通常需要多节电池串/并联组成电池组使用，考虑到汽车对能量、功率和环境的要求，安全、可靠地使用大型锂离子电池组绝对不是一个简单的任务。因此需要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。

1.1主动均衡技术在电动汽车电池管理中的必要性

1.1.1电动汽车电池组系统架构

锂电池储能能力强，但单个电池的电压和电流都太低，不足以满足混合动力电机的需要。为增加电流需将多个电池并联起来，为获得更高的电压，则要把多个电池串联起来。单个锂电池的电压一般介于3.3～3.6V之间。例如，将多达12 个电池串联组成一个电池块（block）输出电压介于30～45V 之间，而混合动力汽车驱动需要336V左右的直流电源电压，因此通常需要8-10个电池块（block）串联起来使用，意味着电动汽车的电池组是数量众多的的单体电池组成（100节以上）。


图1.1.1：电动汽车电池组系统架构。

1.1.2 平衡的必要性

电池组中的单体电池，制造和使用条件的不同，特性是存在差异的。而这些差异，如果在充、放电过程中没有得到应有的控制，将进一步加大，日积月累，可能会明显地减低整个电池组的表现，导致部分电池发生过充、过放电现象，造成电池容量和寿命的急剧下降，降低车辆的续航里程甚至电池组的损坏，统计上表现为电池组中的单个电池单元容量的正态分布的均值左移，且峭度逐渐减小，如图1.1.2 所示。在经过一段时间的使用后，将会有一小部分电池单元的有效容量接近于零，导致失效。因此，为了提高整个电池组的寿命，如何均衡这些老化较快的电池单元也是电池管理系统设计者需要考虑的一个重要课题。


图1.1.2：长期使用后的电池单元容量的分布。

1.1.3 电池的工作电压范围

电池一旦电压超出允许范围，锂电池很容易被损坏（见图1.1.3）。如果超出电压的上限和下限（例如，nanophosphate锂电池的电压上限和下限分别为3.6V和2V），电池就可能会受到不可逆的损坏，至少也会增加电池的自放电率。在相当宽的荷电状态范围内，输出电压可以保持稳定，因此正常情况下超出安全范围的可能性比较小。但是，在接近安全范围上限和下限的区域，变化曲线非常陡峭。作为预防措施，仔细监测电压水平非常必要。


图1.1.3：锂电池(nanophosphate型)的放电特性。

当电池电压接近临界值时，必须立即停止放电或充电。平衡电路的功能就是调节相应电池的电压，使其保持在安全区域。为了达到这个目的，当电池组中任一电池的电压与其他电池不同时，就必须将能量在电池之间进行转移。

1.2 采用基于变压器主动均衡方案的优势

1.2.1 被动均衡法

在传统被动均衡的电池管理系统中，每个电池单元都通过一个开关连接到一个负载电阻。这种被动电路可以对个别被选中的单元放电。该方法只适用于在充电模式下抑制最强电池单元的电压攀升。被动均衡方式的优点是电路结构简单，成本较低。但是其缺点也很明显，它只能做充电均衡。同时，在充电均衡过程中，多余的能量是作为热量释放掉的，使得整个系统的效率低、功耗高。有些场合为限制功耗，电路一般只允许以100mA左右的小电流放电，从而导致充电平衡耗时可高达几小时。


图1.2.1：被动均衡典型电路结构。

1.2.2 基于变压器的主动平衡法：

相关资料中有很多种主动平衡法，均需要一个用于转移能量的存储元件。如果用电容来做存储元件，将其与所有电池单元相连就需要庞大的开关阵列。

更有效的方法是将基于电感设计的主动平衡电路。关键元件是一个变压器，其作用是实现能量在单体电池之间转移，该电路是按照反激变压器原理构造的。该变压器两侧分别做了如下连接：

a. 初级线圈与整个电池组相连

b. 次级线圈与每个电池单元相连

该方案可以完整地实现在充电和放电时的实时均衡，发挥出每节电池的潜力。保证充电时每节电池都能够充满，放电时每节电池都能放至最低的极限，充放电过程中每节电池也能够保持相同的电压，使电池组的每个节电池的能力能得到最充分的发挥。


图1.2.2：主动均衡典型电路结构。

1.2.3采用基于变压器主动均衡方案的优势

1）可以实现底部均衡

相对被动平衡，不仅提供低顶部均衡，也可以实现底部均衡，当某节电池电压过低时，通过接在电池组上的绕组可以把电池组的能量转移到该节电池上，提高的系统能量的利用率

2）系统效率高损耗低

控制系统在在不进行充放电时，静态电流小于2μA。充电或放电时系统均衡电路自动开启，控制部分的总功耗小于1 W。均衡电流的有效值达到5 A 以上，峰值达到20 A。通过放电和充电过程中的实际均衡功率测试看，该方案转移能量的利用效率都达到了85% 以上。其余15% 的能量，除了供给电路部分（单片机，电源芯片等）外，只有少部分是消耗在变压器、MOSFET 和线路内阻中的。


图1.2.3：几种不同均衡方式的对比。