探析锂离子电池组的主动充电平衡法

以双向工作，因此我们可以根据情况采取两种不同的平衡方法。在对所有电池单元进行电压扫描之后(电压扫描的细节将在后面介绍)，计算平均值，然后检查电压偏离平均值最大的电池单元。如果其电压低于平均值，就采用底部平衡法(bottom-balancing)，如果其电压高于平均值，就采用顶部平衡法(top-balancing)。

　　1.底部平衡法：图4所示例子就是采用的底部平衡法。扫描发现电池单元2是最弱的单元，必须对其进行增强。

　　图4：锂离子电池的底部充电平衡原理

　　此时闭合主开关(“prim”)，电池组开始对变压器充电。主开关断开后，变压器存储的能量就可以转移至选定的电池单元。相应的次级(“sec”)开关——在本例中是开关sec2——闭合后，就开始能量转移。

　　每个周期均包含两个主动脉冲和一个暂停。在本例中，40毫秒的周期转换为频率就是25kHz。在设计变压器时，其工作频段应在20kHz以上，以避免出现人类听觉频率范围内可感知的啸叫噪音。这种声音是由变压器铁氧体磁心的磁致伸缩导致的。

　　尤其是当某个电池单元的电压已经达到SoC的下限时，底部平衡法能够帮助延长整个电池组的工作时间。只要电池组提供的电流低于平均平衡电流，车辆就能继续工作，直到最后一块电池单元也被耗尽。

　　2.顶部平衡法：如果某个电池单元的电压高于其他单元，那么就需要将其中的能量导出，这在充电模式下尤其必要。如果不进行平衡，充电过程在第一块电池单元充满之后就不得不立即停止。采用平衡之后则可以通过保持所有电池单元的电压相等而避免发生过早停止充电的情况。

　　图5：锂离子电池的顶部充电平衡原理

　　图5给出了顶部平衡模式下的能量流动情况。在电压扫描之后，发现电池单元5是整个电池组中电压最高的单元。此时闭合开关sec5，电流从电池流向变压器。由于自感的存在，电流随时间线性增大。而由于自感是变压器的一个固有特性，因此开关的导通时间就决定了能够达到的最大电流值。电池单元中转移出的能量以磁场的形式得到存储。在开关sec5断开后，必须闭合主开关。此时，变压器就从储能模式进入了能量输出模式。能量通过巨大的初级线圈送入整个电池组。

　　顶部平衡法中的电流和时序条件与底部平衡法非常类似，只是顺序和电流的方向与底部平衡法相反。

　　平衡功率和电压扫描

　　按照英飞凌E-Cart中的原型配置，平均平衡电流可达5A，比被动平衡法的电流高50倍。在5A的平衡电流下，整个模块的功耗仅2W，因此无需专门的冷却措施，并且进一步改善了系统的能量平衡。

　　为了管理每个电池单元的充电状态，必须测量它们各自的电压。由于只有单元1在微控制器的ADC范围内，因此模块中其他单元的电压无法直接测量。一种可能的方案是采用一组差分放大器阵列，而且它们必须支持整个电池模块的电压。

　　下文中描述的方法只需增加很少量的额外硬件就能测量所有电池单元的电压。在该方法中，主要任务是进行充电平衡的变压器同时也被用做一个复用器。

　　在电压扫描模式中没有使用变压器的回扫模式。当S1到Sn这些开关中有一个闭合时，与其相连的电池单元的电压就转换到变压器的所有绕组中。

　　在经过一个离散滤波器的简单预处理之后，被测信号就被送入微控制器的ADC输入端口。开关S1到Sn中的某个开关闭合时所产生的测量脉冲持续时间可能非常短，实际导通时间为4us。因此，通过这个脉冲存储至变压器中的能量很少。而且无论如何在开关断开之后，存储在磁场中的能量都会通过初级晶体管流回整个电池模块。因此电池模块的能量多少并不受影响。在对所有电池单元进行完一个周期的扫描之后，系统又回到初始状态。

　　本文小结

　　只有拥有一套优秀的电池管理系统才能充分发挥新型锂离子电池所具备的优势。主动充电平衡系统的性能远远优于传统的被动方法，而相对简单的变压器则有助于保持较低的材料成本。