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锂离子电池槽的主动式电荷平衡
 

【作者: Dipl.-Ing.,Werner Rosler】2008年06月05日 星期四

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前言

英飞凌科技将一项任务交给位于德国慕尼黑的「汽车系统工程」(Automotive System Engineering)组:开发一部电动车(E-Cart)。这台车可开上路,用以展示油​​电混合车的电气功能,车子的动力来自一具大型的锂离子(Li-ion)电池槽(battery stack)。我们立刻发现,电荷平衡(charge balancing)的电池管理有其必要,最简单的传统解决方案是利用充电等化(charge equalization)的耗散功率(dissipating power),这种方式势必要以电池之间的有实功率(active energy)转移取代。搜寻现有文献后徒劳无功,目前只发表过相关基本原理。于是团队决定自行开发专业知识,结果发现在材料成本上,主动系统(active system)比被动的解决方案效能更佳,如图一所示。


《图一 电动车(E-Cart)原型》
《图一 电动车(E-Cart)原型》

电池系统架构

镍镉电池及其后继产品,镍金属氢化物电池的技术已广泛使用多年,近来全新的锂离子电池进入市场,由于效能明显提升,市占率也急速窜升之中。锂离子电池的能量储存容量十分惊人,不过,单凭这样一颗电池的容量,并不足以供应一台油电混合车的使用,电压及电流都太低了。要增加电流的能力,必须将电池并联;要求得更高的电压,则必须将电池串联。


电池组装厂通常以简写的方式,例如「3 P 50 S」,来说明电池的配置,意思是3个电池并联,50个电池串联。


许多颗电池以串联进行电池管理时,模组化架构的方式较佳,例如,多达12个串联连接的电池,以3 P12 S的阵列,组合成一个电池块(block)。这些电池靠着一个内含微控制器为核心的电子电路,进行管理与平衡。


电池块的输出电压与串联电池的数量,以及电池的电压有关。典型的锂离子电池电压介于3.3V与3.6V之间,亦即电池块的电压会介于30V及45V之间,而油电混合车在驾驶时所需的直流供应电压,则需要450V左右。为了补偿电池在充电状态时的电压变化,可在电池槽及马达驱动系统之间,加入一个DC-DC转换器做适当的连结,这个转换器也能同时限制电流。


为了让DC-DC转换器的运作最佳化,需要150V至300V的堆叠电压(stack voltage);因此,必须将5到8个电池块串联起来。


平衡的必要性

若超出容许电压范围之外,如图二所示,锂离子电池很容易受损,如果超出电压的上下限(以纳磷酸盐型为例,分别为2V及3.6V),电池便会严重损坏,无法复原,最后至少会扩大自我放电的速率。在宽广的「剩余电量」(State-Of-Charge;SOC)范围中,输出电压是稳定的,偏离安全区的风险并不高。然而,在安全区的开端及尾端,曲线异常陡峭,为了防范于未然,必须谨慎监控电压。


《图二 锂离子放电特性(纳磷酸盐型)》
《图二 锂离子放电特性(纳磷酸盐型)》

如果电压达到临界值,放电或充电程序就必须立即停止。靠着强大的平衡电路,受影响的电池能将电压控制在安全区域内。要做到这点,电池槽中任何一个电池的电压若开始与其他电池不同,能量就必须在电池之间移动。


电荷平衡

传统的被动方法

常见的电池管理系统中,每个电池都透过一个开关连接至负载电阻,在这样的被动电路里,可个别选定电池进行放电。此方法仅适用于充电模式,以抑制电力最强的电池电压上升。为了限制耗散的功率,使用在100mA区域的小电流,导致平衡时间长达数小时之久。


主动平衡

现有文献中,可找到许多主动平衡的方法。移动能量需要一个储存元件,若使用电容,会需要一个大型阵列的切换元件,以便将储存电容连结至任一电池上;将能量储存在磁场中,便相对有效多了。这个电路的关键零组件是一个变压器,英飞凌团队与VOGT Electronic Components GmbH共同合作,开发出一款原型产品。用途包括:


‧@內標:在电池中移动能量。


‧@內標:多路传输单一电池的电压至「接地电压式」(ground-voltage-based)的「类比数位转换器」(Analog-to-Digital-Conversion;ADC)输入,


整个结构的原理就在返驰式转换器(flyback converter)。此类型的变压器可将能量储存在磁场中,磁铁心内的空气间隙增加磁阻,以避免磁心材质的磁饱和。


变压器分为两侧:


‧@內標:一次侧连接至整个电池槽。


‧@內標:各个电池则连接至二次侧线圈。


一个可用的变压器模型,可支援多达12个电池,限制的因素在于可能连接的数目。上述的原型变压器有28支接脚,开关则以OptiMOS3系列的MOSFET为代表。该系列具有极低的导通电阻(on-resistance),因此导通损(conducting loss)可以忽略,如图三所示。



《图三 电池管理模块的主要电路》
《图三 电池管理模块的主要电路》

每个电池块都用一个现代的8-位元微控制器控制,即英飞凌的XC886CLM,它具有一个快闪程式及一个32-KB的资料记忆体。两个硬体式的CAN介面,使用低处理器负载的通用型汽车「控制器区域网路」(Controller Area Network;CAN)汇流排通讯协定,支援通讯。一个硬体式的「乘除法单元」(Multiplication and Division Unit;MDU),可加速计算过程。


平衡的方法

可双向使用的变压器,依情况可应用在两种不同方法上。扫描所有电池的电压之后(稍后有详细说明),先计算出平均值,然后检查与平均值相差最大的电池。若该电池的电压低于平均值,采用下平衡(bottom-balancing)法;若高于平均值,则采用上平衡(top-balancing)转化。


下平衡

图四中的例子显示采用下平衡法的情况,经过确认,2号电池是最弱的电池,必须加以支援。



《图四 下平衡(Bottom-balancing)原理》
《图四 下平衡(Bottom-balancing)原理》

一次测(prim)的开关关闭时,变压器从电池槽充电;一次侧的开关开启之后,变压器储存的能量就能转移至选定的电池上。在本例中,如果对应的二次侧(sec)开关sec2关闭时,即发生此情况。


每个循环周期是由2个主动脉冲及一个暂停所组成,本例之中,40微秒的周期相当于25千赫的频率。变压器的设计必须要让频率超过20千赫以上,以免在听频范围内出现扰人的哨音,而这个噪音是变压器内磁铁心的磁致伸缩(magnetostriction)所造成的。


特别是当电池达到剩余电量(SOC)的下限时,下平衡法可延长电池槽的操作时间。只要来自电池槽的电流一直低于平衡电流的平均值,就能持续操作车辆,直到最后一颗电池的电力消耗殆尽为止。


上平衡

如果一个电池的电压高于其他电池,可将能量从该电池抽出,在充电模式下,这个动作绝对有必要。若没有平衡,充电的程序在第一颗电池充饱时就必须立即停止,平衡可藉由保持相同的电池电压,避免此情形发生。


图五的例子显示出上平衡模式的能量流。扫描过电压之后,侦测到5号电池是电池槽中电力最强的。开关sec5关闭时,电流从电池流向变压器,因为电感的关系,电流随着时间线性升高。电感是变压器具有的特性,开关的导通时间定义了电流的最大值,从电池流出的能源,即以磁场的形式储存起来。 sec5开启之后,prim开关必须关闭,变压器的运转状态变成发电机模式,而能量则经由大型的一次侧线圈饲入整个电池槽。其电流及时间的条件与下平衡的例子相似,只有顺序及电流的方向逆转过来。



《图五 上平衡(Top-balancing)原理》
《图五 上平衡(Top-balancing)原理》

平衡电力

使用英飞凌E-Cart上的原型组态,可达到5A的平均平衡电流,比起被动式方法,整整高出50倍之多,而且这5A的平衡所造成的整个电池块的功率耗散,只有大约2W。这不需要特殊的冷却处理,还可增进系统的能量平衡。


扫描电压

要管理个别电池的充电状态,必须先量测个别电压。只有1号电池是在微控制器的ADC范围内,因此电池块其余电池,没办法直接量测到电压。可使用一阵列的差动放大器(differential amplifier)作为解决方案,而且要能承受整个电池块的电压。


只要新增少量的硬体,以下方法便能量测出所有的电压。以电荷平衡为主要工作的变压器,也能拿来作为多工器之用,在电压扫描模式,便不使用变压器的返驰(flyback)模式。开关S1至SN的其中之一关闭时,连接在一起的电池就将电压转换至变压器的所有线圈上。


只要透过离散滤波器(discrete filter)预处理,就能将量测讯号饲入微控制器的ADC输入。开关S1至Sn其中之一关闭时所产生的量测脉冲可能非常短,实际的导通时间是4μs,因此,储存在变压器内的能量并不多。无论如何,开启开关后,以磁性储存的能量皆会经由一次侧电晶体,回馈至整个电池块。因此,电池块的能量含量并未受到影响,扫描过所有电池一轮以后,系统会返回最初的状态。


结语

只要利用一套功能优秀的电池管理系统,便能善加利用锂离子电池的优势。相较于传统的被动方法,主动的电荷平衡系统更能提供显著的绝佳效能。巧妙使用一具简单的变压器,就能将物料成本降低。


--作者Werner Rosler,Dipl.-Ing.是德国纽必堡英飞凌科技旗下「安全应用系统工程」(System Engineering for Safety Applications)的系统工程师。


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