鋰電池組主動(dòng)均衡方法原理

鋰電池組主動(dòng)均衡方法是利用一種主動(dòng)往復(fù)充電的元件，電壓或電流轉(zhuǎn)換器使得電量從一個(gè)電池單元轉(zhuǎn)到另一個(gè)上。這些器件可以被模擬或者數(shù)字控制。鋰電池組主動(dòng)均衡方法的兩個(gè)主要類別是電荷穿梭（原文charge shutting）和能量轉(zhuǎn)換。

電荷穿梭

電荷穿梭的鋰電池組主動(dòng)均衡方法包括一個(gè)可以使電量從一個(gè)特定的電池單元放出、儲(chǔ)存、然后傳遞給另一個(gè)電池單元的器件。目前有幾種電荷穿梭方案，其中最讓人關(guān)注的是“飛渡電容”。

控制系統(tǒng)閉合適當(dāng)?shù)拈_關(guān)通過(guò)電池單元B；對(duì)電容器C充電。當(dāng)電容充電之后，開關(guān)就會(huì)斷開。隨后鏈接電池單元B2與電容器C的開關(guān)閉合，電容器C對(duì)電池單元B2充電，充電電量取決于B1與B2的電壓差。

然后電容器以相同的方式與B3，B1…，Bn，B…連接。電池組中擁有最高電量的電池單元會(huì)給C充電，然后C會(huì)為擁有最低電量的電池單元充電。通過(guò)這種方式，擁有最高電量的電池單元會(huì)將電量分配給其他低電量電池單元。實(shí)現(xiàn)這種方式只需要一個(gè)固定的開關(guān)順序來(lái)閉合或斷開適當(dāng)?shù)拈_關(guān)。

要改良“飛渡電容”方法，就要實(shí)現(xiàn)智能的選取需要均衡的電池單元。這樣，電容器可以從擁有最高電量的電池單元充電然后將電量傳遞給最低電量的電池單元。這種方法可以顯著減少電池組達(dá)到均衡的時(shí)間，尤其是當(dāng)最高電量電池單元與最低電量電池單元位于電池組的兩端時(shí)。而這就需要另外的控制系統(tǒng)來(lái)檢測(cè)和選擇目標(biāo)電池單元。

這種方案需要在電容器C達(dá)到峰值充電電流時(shí)，有很大轉(zhuǎn)換速率（n+5）。對(duì)于一個(gè)有較大電池失衡（Bn=3.0V，B=4.0V理想的系統(tǒng)而言（電容和開關(guān)沒有阻抗），1000uF的飛渡電容可以在1A的平均轉(zhuǎn)換電流、1kHz轉(zhuǎn)換頻率下，至少以每小時(shí)1Ahr的速率平衡這些電池單元。如果考慮電容和開關(guān)的阻抗，則系統(tǒng)充放電的時(shí)間常數(shù)有很大程度的增加，降低實(shí)際均衡電流一個(gè)數(shù)量級(jí)或者增。

加開關(guān)電流的峰值。使用的電容越大，完成一次可用充電（usable charge）的時(shí)間越長(zhǎng)，從而時(shí)鐘速率（clock rate）降低，轉(zhuǎn)換的峰值電流增加。大電池組（100Ahr）需要一個(gè)包含一個(gè)有很大轉(zhuǎn)換電流的大電容的電荷穿梭設(shè)備。這樣將有很多能量在電容器和開關(guān)上以電阻熱的形式浪費(fèi)掉。很大一部分電量均衡是通過(guò)高電量電池單元中的能量變成熱能形式浪費(fèi)這樣簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)的。

另一種電荷穿梭方法是每?jī)蓚€(gè)電池單元共用一個(gè)“飛渡電容”。電容不斷與兩個(gè)電池單元分別連接，從而實(shí)現(xiàn)電量從高電量電池單元向低電量電池單元的移動(dòng)。每個(gè)電容器只需要簡(jiǎn)單的控制來(lái)激活開關(guān)。

幾個(gè)電荷穿梭塊（charge shuttling blocks可以級(jí)聯(lián)成為具有較高電壓的電池組。由于電池單元B2….Bn-1分別與它們相鄰的兩個(gè)電池單元共用一個(gè)飛渡電容，電量可以從一個(gè)串聯(lián)電池組的末端傳到另一個(gè)電池組。如果高電量電池單元與低電量電池單元恰好位于整個(gè)電池組的兩端，這個(gè)方法會(huì)在它們之間的電量傳遞上花費(fèi)大量的時(shí)間，因?yàn)槭Ｓ嚯娏繉?huì)通過(guò)每一個(gè)電池單元從而耗費(fèi)大量時(shí)間使得均衡效率降低。但是這種方法有包裝上的優(yōu)勢(shì)：對(duì)于每?jī)蓚€(gè)電池單元，可以將它們的控制電路、供電電源和電容器打包成一個(gè)單獨(dú)的部分。當(dāng)需要電池單元增加時(shí)，我們只要增加這種單獨(dú)打包的部分就可以了。

電量穿梭技術(shù)對(duì)于混合動(dòng)力汽車電池的用處不大。鋰電池的開路電池端電壓在剩余電量40%~80%時(shí)相對(duì)平穩(wěn)。某個(gè)電池單元在高剩余電量時(shí)的電壓并沒有比在低剩余電量時(shí)的大很多，除非剩余電量高至超過(guò)90%或者低至20%以下。

混合動(dòng)力汽車電池工作在中等剩余電量狀態(tài)下，此時(shí)電池單元之間的電壓差最小，從而限制了電量穿梭技術(shù)的應(yīng)用。

電量轉(zhuǎn)換器

通過(guò)電量轉(zhuǎn)換裝置，電池均衡利用電感或者變壓器將電量從一個(gè)或者一部分電池單元傳遞到另一個(gè)或者另一部分電池單元。目前來(lái)說(shuō)有兩種電量轉(zhuǎn)換器的模式：開關(guān)變壓器法和共享變壓器法。

開關(guān)變壓器的方法是與飛渡電容的方法一樣共用一個(gè)開關(guān)拓?fù)洹ｋ娏鱅取自整個(gè)電池組并在變壓器T處轉(zhuǎn)換。變壓器輸出由二極管D修正后傳遞給電池單元B。，而具體傳遞到哪一個(gè)電池單元是由開關(guān)S的設(shè)置決定的。這樣，整個(gè)裝置就需要一套電子控制裝置來(lái)選擇目標(biāo)電池單元和設(shè)置開關(guān)S。

這種方法以消耗整個(gè)電池組的能量為代價(jià)迅速均衡低電量電池單元。這種方法的缺點(diǎn)有：結(jié)構(gòu)復(fù)雜、元件數(shù)量多、以及由于磁損耗和開關(guān)損耗引起的低效率。

共享變壓器有一個(gè)單獨(dú)的磁芯，該磁芯有對(duì)每一個(gè)電池單元的二次分配。電池組的電流I主要在變壓器內(nèi)變化，然后使各二級(jí)元件產(chǎn)生感應(yīng)電流。電抗最?。ㄓ捎陔姵貑卧狟a的端電壓低）的二級(jí)元件內(nèi)會(huì)產(chǎn)生最強(qiáng)的感應(yīng)電流。這樣，每個(gè)電池單元的充電電流與其相對(duì)電量剩余百分比成反比。

共享變壓器中唯一起控制作用的部分是主變壓器的轉(zhuǎn)換晶體管，不需要額外的閉環(huán)控制。共享變壓器裝置可以以最小電量損失迅速均衡一組多單元電池組。這種均衡方法的缺點(diǎn)是包含的復(fù)雜的磁感應(yīng)以及需要大量二級(jí)回路整流器。而且，均衡回路要按照滿足最多電池單元的情況設(shè)計(jì)，因?yàn)樵僖黾佣?jí)回路的數(shù)量十分不易。

使用一組初級(jí)線圈耦合代替通過(guò)單一磁芯耦合可以得到相同的效果。這種方法的好處是各個(gè)電池單元可以有自己的磁芯，這樣可以在不改變主控制器的情況下增加串聯(lián)電池單元的數(shù)量。

這種共享變壓器的方法對(duì)電動(dòng)汽車電池和混合動(dòng)力汽車電池都適用。如果電流I，設(shè)定得很?。?lt;100mA/Ahr），這套裝置持續(xù)運(yùn)行的均衡效率將比任何主動(dòng)均衡方法高。