鋰電池組均衡方法的探討

鋰電池組均衡方法的探討

由于單電壓芯電壓低，約為3.7v，為了獲得設(shè)備的電源，必須連接多個(gè)電池芯，以實(shí)現(xiàn)高壓的目的。但是由于每個(gè)鋰電芯在生產(chǎn)過(guò)程中存在一致性的差異,使得每個(gè)單體電芯的電壓、內(nèi)阻、自耗電和充放電容量都有差異,這種差異直接影響到串聯(lián)后整個(gè)電池組的性能和壽命。目前市面上多數(shù)采用被動(dòng)耗散型的均衡策略來(lái)提高鋰電池的一致性。但是這種技術(shù)發(fā)熱量大、均衡電流小以及浪費(fèi)電池能量,不能起到取長(zhǎng)補(bǔ)短的作用,使得電池組中高電量的單體電芯不能充分發(fā)揮容量,整個(gè)電池組的容量取決于最小容量的單體電芯。一些傳統(tǒng)主動(dòng)均衡技術(shù)也不實(shí)用,速率和能量利用率較為低下。大多數(shù)主動(dòng)均衡技術(shù)采用飛渡式電容模式和能量逐級(jí)搬移模式,這兩種模式缺點(diǎn)都是每次只能對(duì)一個(gè)單體電池補(bǔ)充電,速度非常低。在單體均衡充電電路中采用三極管、場(chǎng)效應(yīng)管及二極管來(lái)作為開(kāi)關(guān)控制和整流控制,由于這些晶體管本生特性會(huì)有PN節(jié)導(dǎo)通電壓存在,這樣在大電流均衡時(shí)PN節(jié)電壓普遍在0.4~2.0伏之間,以10A電流為例,耗散功率達(dá)到4~20瓦,發(fā)熱耗散掉很大一部分能量,導(dǎo)致電池電能的浪費(fèi),特別是能量逐級(jí)搬移模式,每搬移到下一個(gè)單體,都會(huì)產(chǎn)生耗散,當(dāng)搬移距離較遠(yuǎn)時(shí),可以說(shuō)和被動(dòng)均衡的效果一樣了,能量都在搬移的路上耗散殆盡,根本不能起到取長(zhǎng)補(bǔ)短的作用。本文設(shè)計(jì)的一種動(dòng)態(tài)調(diào)整型主動(dòng)均衡裝置電路,原理圖如圖1,采用“總對(duì)多”的均衡模式,一次可以對(duì)多個(gè)單體電池進(jìn)行均衡,在放電、充電和靜止?fàn)顟B(tài)都能進(jìn)行均衡,最大均衡電流可達(dá)到20A,不僅提高電池組的整體均衡速率,還大幅減小傳統(tǒng)均衡電路電能的耗散浪費(fèi)問(wèn)題,真正做到電池組電能的取長(zhǎng)補(bǔ)短和高效利用。1.系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.1單體均衡電路電壓高精度測(cè)量電路由3個(gè)主要部分組成,如圖1所示。(1)供電部分,負(fù)責(zé)均衡能量的提供,由電池組BT1~BTN、續(xù)流二極管D1、線圈T1、PWM開(kāi)關(guān)MOS管Q1和保險(xiǎn)絲Fz構(gòu)成,目的是將電池組的總體能量從主線圈供應(yīng)給次級(jí)線圈。采用“總對(duì)多”即N對(duì)n主動(dòng)均衡策略,即利用電池組(數(shù)量N個(gè)單體)的電能對(duì)其中某幾個(gè)單體(數(shù)量n個(gè)單體)進(jìn)行同時(shí)補(bǔ)充電的策略,整數(shù)n<N/3。設(shè)Lz為主線圈圈數(shù),次級(jí)線圈圈數(shù)Lx=1.3Lz/N,單體充電線圈空載電壓Vxmax=1.3VDD/N,使得每節(jié)單體能達(dá)到足夠的充電電壓和充電電流,確保均衡速度及電壓可控。(2)測(cè)量反饋部分,負(fù)責(zé)均衡電流的測(cè)量反饋,由采樣電阻R2、差比例分放大電路、及RC濾波電路構(gòu)成,采用差分比例放大電路能有效地消除對(duì)地寄生電阻及共模信號(hào)的影響,保證測(cè)量的準(zhǔn)確性,并將電流信號(hào)放大10倍后傳輸給MCU的Iv腳。測(cè)得主線圈電流Iz次級(jí)線圈電流為Ix,電壓為Vx,同時(shí)均衡的單體個(gè)數(shù)為n,根據(jù)能量守恒原理,忽略回路的耗散損耗,均衡能量:均衡充電時(shí)Vx等于單體電芯兩端電壓Vcell,從而可以求出各單體平均電壓Vavg和平均電流Iavg。MCU根據(jù)各單體電池SOC或SOB及其極差大小動(dòng)態(tài)調(diào)整CtrZ的PWM占空比,從而調(diào)整了主線圈電流Iz和單體均衡充電電流Iavg,如果極差較大則會(huì)按照設(shè)定比例提高均衡電流,由于均衡各個(gè)單體電池SOC或SOB逐漸接近,通過(guò)調(diào)整占空比逐漸減小均衡電流的方式,達(dá)到高效和精準(zhǔn)地控制單體一致性的效果。(3)均衡充電部分,負(fù)責(zé)對(duì)單體鋰電池進(jìn)行均衡充電,采用繼電器和大電流1045低導(dǎo)通壓降肖特基二極管D1n并聯(lián)組成同步DC/DC降壓充電電流開(kāi)關(guān),TVS穩(wěn)壓管Dzn、Dxn與D1n起到同步PWM及繼電器開(kāi)關(guān)信號(hào)啟、停時(shí)刻的抗峰與續(xù)流作用。采用低內(nèi)阻(<5毫歐)繼電器Kn來(lái)作為主電流通路以去除二極管的導(dǎo)通耗散功耗,從而減少回路的能量耗散浪費(fèi),使得絕大部分電流都不經(jīng)過(guò)D1n,在D1n上的損耗幾乎為0,為大電流均衡充電提供低溫低耗散、高能量利用率的硬件支持。同時(shí)還避免了利用晶體管控制開(kāi)關(guān)均衡傳統(tǒng)方案的控制電壓匹配問(wèn)題、晶體管傳導(dǎo)干擾問(wèn)題及失效缺陷,并大大簡(jiǎn)化了電路布線要求。1.2dm控制信號(hào)為了簡(jiǎn)化電池組的接線操作,單體電壓采樣線與均衡電流回路線共用,為了避免有電流通過(guò)時(shí)產(chǎn)生壓降造成采樣誤差,于是采用均衡與采樣交替進(jìn)行的控制策略,調(diào)試過(guò)程如下圖2所示,均衡PWM信號(hào)如探頭2,具有固定頻率,而電壓采樣在探頭1波形的波谷段,即PWM停止段。探頭1為單體電芯均衡時(shí)的電壓波動(dòng)曲線,探頭2為PWM控制信號(hào),PWM開(kāi)啟時(shí)段與停止時(shí)隙間隔須根據(jù)電池的極化特性及線圈電感值來(lái)調(diào)試和設(shè)置,考慮在線圈電流趨于0時(shí)應(yīng)開(kāi)啟一個(gè)新時(shí)段的PWM均衡充電或關(guān)閉繼電器停止均衡,避免電流通過(guò)繼電器反流到線圈而導(dǎo)致電芯放電。均衡開(kāi)啟時(shí),電流根據(jù)各單體SOC或SOB及其極差大小逐漸上升到一個(gè)設(shè)定的比例值,避免產(chǎn)生電流尖峰損害電池。單體電壓可在啟動(dòng)PWM前20微秒內(nèi)進(jìn)行采樣5次,去除最高和最低的1次后求平均值得到。1.3單體電池過(guò)充特性測(cè)量(1)電池組開(kāi)始初始標(biāo)定,滿充單體電芯,MCU監(jiān)測(cè)單體電芯的空載電壓。(2)電池組0.2C恒流放電,檢測(cè)電流及檢測(cè)單體電池放電瞬間帶載電壓,計(jì)算并記錄單體電池內(nèi)阻DCR,每當(dāng)放電瞬間且電流大于等于0.1C時(shí),根據(jù)單體電池放電前電壓和放電后瞬間電壓之差ΔV/電流I=單體電池內(nèi)阻DCR。(3)每隔一段時(shí)間記錄單體電池電壓及容量,測(cè)得放電時(shí)刻電壓Vdx,去除內(nèi)阻分壓來(lái)計(jì)算空載特征電壓Vdkx,通過(guò)“實(shí)時(shí)電流I-時(shí)間Δt”數(shù)據(jù)積分∫Idt計(jì)算已放電容量Cd,SOC%=1-Cd/C,直到放電完畢(此時(shí)電池容量C=Cd),構(gòu)建單體電池放電SOC%-Vdkx曲線數(shù)據(jù)模型,如圖3所示。(4)電池組開(kāi)始充電,每隔一段時(shí)間記錄單體電芯電壓及容量,測(cè)得充電時(shí)刻電壓Vcx,去除內(nèi)阻分壓來(lái)計(jì)算空載特征電壓Vckx,通過(guò)“實(shí)時(shí)電流I-時(shí)間Δt”數(shù)據(jù)積分∫Idt計(jì)算已充電容量Cc,SOB%=1-Cc/C,直到充電完畢(此時(shí)電池容量C=Cc),構(gòu)建單體電池充電SOB%-Vckx曲線數(shù)據(jù)模型;如圖3所示,電池組初始數(shù)據(jù)標(biāo)定完畢。(5)正常使用,測(cè)量計(jì)算單體電池內(nèi)阻DCR及放電容量,測(cè)量單體電池電壓,并去除內(nèi)阻分壓來(lái)計(jì)算空載電壓。(6)當(dāng)電池組放電到設(shè)定容量百分比包含靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)、空載電壓Vdkx極差大于20mV且系統(tǒng)未出現(xiàn)異常失效狀態(tài)的情況下開(kāi)啟均衡,對(duì)空載電壓最低的n個(gè)單體電池進(jìn)行充電,MCU根據(jù)各單體電芯SOC及其極差大小動(dòng)態(tài)調(diào)整CtrZ端的PWM占空比,從而調(diào)整了單體均衡充電電流,直到空載電壓達(dá)到平均值,判斷單體電池空載電壓極差是否小于設(shè)定值,否則繼續(xù)均衡,是則停止均衡,直到放電完畢。(7)電池組開(kāi)始充電并測(cè)量計(jì)算充電容量,測(cè)量單體電池電壓,并去除內(nèi)阻分壓來(lái)計(jì)算空載電壓。(8)當(dāng)電池組充電到設(shè)定容量百分比、空載電壓Vdkx極差大于20mV且系統(tǒng)未出現(xiàn)異常失效狀態(tài)的情況下開(kāi)啟均衡,對(duì)空載電壓最低的n個(gè)單體電池進(jìn)行充電,MCU根據(jù)各單體電芯SOB及其極差大小動(dòng)態(tài)調(diào)整CtrZ端的PWM占空比,從而調(diào)整了單體均衡充電電流,直到空載電壓達(dá)到平均值,判斷單體電池空載電壓極差是否小于設(shè)定值,否則繼續(xù)均衡,是則停止均衡,直到充電完畢。(9)均衡停止策略,當(dāng)出現(xiàn)溫度保護(hù)、電池故障失效、空載電壓達(dá)到平均值、極差小于設(shè)定值(如:10mV)、關(guān)機(jī)或休眠時(shí)關(guān)閉均衡。2.應(yīng)用效果及節(jié)能潛力本文設(shè)計(jì)的一種鋰電池組動(dòng)態(tài)調(diào)整型主動(dòng)均衡方法具有速率高、準(zhǔn)確性高、能