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鋰離子電池均衡電路的工作原理分析

鉅大LARGE  |  點擊量:50次  |  2020年08月28日  

摘要
新能源和電動汽車的發展,都會用到能量密度比較高的鋰電池。而鋰電池串聯使用過程中,為了保證電池電壓的一致性,必然會用到電壓均衡電路。今天跟大家一起分享一下,我在工作中用過幾種電池的均衡電路,希望對大家有

新能源和電動汽車的發展,都會用到能量密度比較高的鋰離子電池。而鋰離子電池串聯使用過程中,為了保證電池電壓的一致性,必然會用到電壓均衡電路。今天跟大家一起分享一下,我在工作中用過幾種電池的均衡電路,希望對大家有所幫助。


最簡單的均衡電路就是負載消耗型均衡,也就是在每節電池上并聯一個電阻,串聯一個開關做控制。當某節電池電壓過高時,打開開關,充電電流通過電阻分流,這樣電壓高的電池充電電流小,電壓低的電池充電電流大,通過這種方式來實現電池電壓的均衡。


但這種方式只能適用于小容量電池,關于大容量電池來說是不現實的。


負載消耗性均衡的示意圖


第二種均衡方法我沒有實驗過,就是飛渡電容法。簡單的說就是每一節電池并聯一個電容,通過開關這個電容既可以并聯到本身這節電池上,也可以并聯到相鄰的電池。


當某節電池電壓過高,首先將電容與電池并聯,電容電壓與電池一致,然后將電容切換到相鄰的電池,電容給電池放電。實現能量的轉移。


由于電容并不消耗能量,所以可以實現能量的無損轉移。但這種方式太繁瑣了,現在的動力鋰電池動不動幾十節串聯,要是采用這種方式,要很多開關來控制。


飛渡電容法工作原理圖,只是畫出相鄰兩節電池的均衡原理圖


第一次做均衡,是做的一款動力鋰電池組的充電,電池容量80ah的兩組并聯,要求均衡電流為10a。原來了解的一點均衡的原理根本不夠用,這么大電流都相當于一個一個的小模塊了,最后還真的是采用n個小模塊串聯,每節電池并聯一個小模塊,假如單體電池電壓低于設定值,啟動相應的并聯模塊,對低電壓電池啟動充電,補充能量提升電壓,實現均衡。


下圖為當時采用的均衡電路的示意圖,DC-DC輸入母線既可以是電池電壓,也可以是別的模塊供應的直流輸入,根據要靈活配置。


主動均衡方法可以采用我前面提到的一個變壓器多路輸出的方法。


假如你想利用下面的電路示意圖,做一個多路輸出的反激電源,利用各個模塊的輸出電壓來對電池實現均衡,我估計你要很深的功力才可以,因為單單交叉調整率這一項就很難。但是,利用這個電路,我們可以換一下思路,各路輸出不要穩壓,當然為了防止開路損壞輸出電容,我們可以做一個簡單的原邊反饋。然后在每路輸出到電池之間串聯一個電子開關,由于這種均衡是配合電池管理系統一起工作的,因此每路輸出只要串聯一個電子開關,由管理單元控制即可,哪路電壓地我們就可以打開這個電子開關,有電源輸出給該節電池充電,直到所有單體電池電壓達到我們的期望值。


采用這種均衡方法,曾經做過1000AH,7串電池及300AH,80串電池的均衡,均衡完成后,所有單體電池電壓可以達到5mV以內。


多繞組變壓器法結構圖


主動均衡也可以采用能量轉移的方法。所謂能量轉移,既可以是從整組電壓取能量向低電壓補充,也可以是從將電壓過高的電池取能量向整組電壓反饋。


我在一款通訊電源電源系統中用過第二種方式實現過電池均衡。電路原理圖如下:


當時做的是16串鋰離子電池的均衡,分成了兩組,每組8只電池串聯,這里只畫了6只描述工作原理。


假如電池B5電壓過高,控制Q5以pWM模式工作,當Q5開通,電感L5儲能;當Q5關閉,電感儲存的能量就會通過D5給電池B1-B4充電,降低B5電池電壓抬高其余電池電壓,利用同樣的原理可以分析其余電池組電壓過高時候的工作過程。


在試驗過程中,兩組之間各自采用這種方式均衡。當兩組之間出現偏差的時候,就可以采用雙向DC-DC進行能量轉換了,這樣采用的模塊數量較少,設計比較方便。


我當時沒有采用雙向DC-DC,而是簡單的采用能量消耗性做兩組之間電池的均衡。從最終的試驗效果來看,電池均衡還是比較不錯的。


在均衡過程中,假如對每節電池供應一路充電模塊感覺屬于殺雞用牛刀,能量消耗型有達不到技術要求,也就是要主動均衡,那么前面提到的變壓器一拖多輸出的方法,也許更適合你的要,采用合適的變壓器,做原邊反饋限流的多路輸出反激電源即可。


其實,隨著動力鋰電池的應用發展,不僅均衡,電池過充過放的保護,也就是我們常說的保護板的應用也會越來越廣闊。我們了解原來的18650電芯,十幾串的保護板用ic很常見,實現短路、過充保護、過放保護。但假如是幾十串的電芯呢,不了解有沒有接觸過這方面資料的網友,可以一起交流下。


這就是截止目前為止,我試驗過的四種電池均衡的方式,均衡的電池從2AH到1000AH,串聯的節數從7串到120串。


個人感覺如下:


1.關于10AH以內的電池組,采用能量消耗型可能是比較好的選擇,控制簡單。


2.關于幾十AH的電池組來說,采用一拖多的反激變壓器,結合電池采樣部分來做電池均衡應該是可行的。


3.關于上百AH的電池組來說,可能采用獨立的充電模塊會好一些,因為上百AH的電池,均衡電流都在10多A左右,假如串聯節數再多一些,均衡功率都很大,引線到電池外,采用外部DC-DC或AC-DC均衡也許更安全。


目前的均衡都是以電池電壓一致作為均衡的結束條件,但隨著SOC計算越來越準確,容量一致的均衡應該是未來發展的趨勢。


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