位於慕尼黑的英飛淩科技公司汽車係統工程部門最近接到一項開發E-Cart的任務。E-Cart是shi一yi種zhong可ke駕jia駛shi的de車che輛liang
，主zhu要yao用yong於yu演yan示shi混hun合he動dong力li汽qi車che的de電dian氣qi性xing能neng。該gai車che將jiang采cai用yong一yi組zu龐pang大da的de鋰li離li子zi電dian池chi組zu提ti供gong動dong力li，當dang時shi開kai發fa人ren員yuan就jiu意yi識shi到dao對dui其qi進jin行xing帶dai充chong電dian平ping衡heng的de電dian池chi管guan理li是shi絕jue對dui必bi要yao的de。這zhe種zhong情qing況kuang下xia必bi須xu采cai用yong在zai各ge節jie電dian池chi之zhi間jian進jin行xing主zhu動dong能neng量liang轉zhuan移yi的de方fang式shi來lai代dai替ti傳chuan統tong的de簡jian單dan充chong電dian平ping衡heng方fang案an。他ta們men開kai發fa的de主zhu動dong充chong電dian平ping衡heng係xi統tong在zai材cai料liao成cheng本ben與yu被bei動dong方fang案an相xiang當dang的de情qing況kuang下xia能neng提ti供gong更geng優you秀xiu的de性xing能neng(見圖1)。

電池係統架構

 

鎳nie鎘ge電dian池chi與yu隨sui後hou出chu現xian的de鎳nie氫qing電dian池chi多duo年nian來lai一yi直zhi主zhu宰zai著zhe電dian池chi市shi場chang。鋰li離li子zi電dian池chi是shi最zui近jin才cai進jin入ru市shi場chang的de，但dan由you於yu其qi性xing能neng有you極ji大da提ti高gao，因yin此ci其qi市shi場chang份fen額e增zeng長chang非fei常chang迅xun速su。鋰li離li子zi電dian池chi的de儲chu能neng容rong量liang非fei常chang驚jing人ren，但dan即ji便bian如ru此ci
，單dan個ge電dian池chi單dan元yuan的de容rong量liang不bu論lun從cong電dian壓ya還hai是shi從cong電dian流liu方fang麵mian仍reng都dou太tai低di，不bu能neng滿man足zu一yi個ge混hun合he動dong力li發fa動dong機ji的de需xu要yao。並bing聯lian多duo個ge電dian池chi單dan元yuan可ke以yi增zeng大da電dian池chi所suo提ti供gong的de電dian流liu，串chuan聯lian多duo個ge電dian池chi單dan元yuan則ze可ke以yi增zeng大da電dian池chi提ti供gong的de電dian壓ya。

 

電池組裝商通常利用一些縮略短語來描述其電池產品，例如“3P50S”代表該電池組中有3個並聯的電池單元
、50個串聯的電池單元。

 

模塊化結構在對包含多個串聯電池單元的電池進行管理時是很理想的結構。例如，在一個3P12S的電池陣列中，每12個電池單元串聯之後就組成了一個模塊(block)。然後，這些電池單元就可通過一塊以微控製器為核心的電子電路對其進行管理和平衡。

 

這樣一個電池模塊的輸出電壓取決於串聯電池單元的個數和每個電池單元的電壓。鋰離子電池單元的電壓通常在3.3V到3.6V之間，因此一個電池模塊的電壓約在30V到45V之間。

 

混合動力車的驅動需要450V左右的直流電源電壓。為了根據充電狀態來補償電池單元電壓的變化，比較合適的做法是在電池組和發動機之間連接一個DC-DC轉換器。這個轉換器還可以限製電池組輸出的電流。

 

為確保DC-DC轉換器工作在最佳狀態，要求電池組電壓在150V到300V之間。因此，需要串聯5到8個電池模塊。

 

 

如果電壓超出允許的範圍，鋰離子電池單元就很容易損壞(見圖2)。如果電壓超出了上、下限(以納米磷酸鹽型鋰離子電池為例，下限電壓為2V，上限電壓為3.6V)，電池就可能出現不可逆轉的損壞。其結果至少是加快電池的自放電速度。電池輸出電壓在一個很寬的充電狀態(SOC)範(fan)圍(wei)內(nei)都(dou)是(shi)穩(wen)定(ding)的(de)
，電(dian)壓(ya)偏(pian)離(li)安(an)全(quan)範(fan)圍(wei)的(de)風(feng)險(xian)很(hen)小(xiao)。但(dan)在(zai)安(an)全(quan)範(fan)圍(wei)的(de)兩(liang)端(duan)，充(chong)電(dian)曲(qu)線(xian)的(de)起(qi)伏(fu)相(xiang)對(dui)比(bi)較(jiao)陡(dou)峭(qiao)。因(yin)此(ci)，為(wei)預(yu)防(fang)起(qi)見(jian)
，必(bi)須(xu)嚴(yan)密(mi)監(jian)控(kong)電(dian)壓(ya)。

圖2：鋰離子電池的放電特性(鈉米磷酸鹽型)。

 

ruguodianyadadaoyigelinjiezhi，jiubixulijitingzhifangdianhuochongdianguocheng。zaiyigeqiangdadepinghengdianludebangzhuxia
，xiangguandianchidanyuandedianyakeyifanhuianquanfanweinei。danweidadaozheyimude

，gaidianlubixunengzaidianchizuzhongrenheyigedanyuandedianyakaishiyuqitadanyuanchuxianchayishimashangzaigedanyuanzhijianzhuanyinengliang。

 

1.傳統的被動方法：在zai一yi般ban的de電dian池chi管guan理li係xi統tong中zhong，每mei個ge電dian池chi單dan元yuan都dou通tong過guo一yi個ge開kai關guan連lian接jie到dao一yi個ge負fu載zai電dian阻zu。這zhe種zhong被bei動dong電dian路lu可ke以yi對dui個ge別bie被bei選xuan中zhong的de單dan元yuan放fang電dian。但dan該gai方fang法fa隻zhi適shi用yong於yu在zai充chong電dian模mo式shi下xia抑yi製zhi最zui強qiang電dian池chi單dan元yuan的de電dian壓ya攀pan升sheng。為wei限xian製zhi功gong耗hao，此ci類lei電dian路lu一yi般ban隻zhi允yun許xu以yi100mA左右的小電流放電，從而導致充電平衡耗時可高達幾小時。

 

2.主動平衡法：xiangguanziliaozhongyouhenduozhongzhudongpinghengfa，junxuyaoyigeyongyuzhuanyinengliangdecunchuyuanjian。ruguoyongdianronglaizuocunchuyuanjian，jiangqiyusuoyoudianchidanyuanxianglianjiuxuyaopangdadekaiguanzhenlie。gengyouxiaodefangfashijiangnengliangcunchuzaiyigecichangzhong。gaidianluzhongdeguanjianyuanjianshiyigebianyaqi。dianluyuanxingshiyouyingfeilingdekaifaxiaozuyuVOGT電子元件GmbH公司共同開發的。其作用是：

 

a. 在電池單元之間轉移能量

 

b. 將多個單獨的電池單元電壓複接至一個基於地電壓的模數轉換器(ADC)輸入端

 

gaidianlushianzhaohuisaobianyaqiyuanligouzaode。zheleibianyaqinenggoujiangnengliangcunchuzaicichangzhong。qitieyangticixinzhongdeqixizengdalecizu
，yincikeyibimiancixincailiaochuxiancibaohe。

 

該變壓器兩側的電路是不同的：

 

a. 初級線圈與整個電池組相連

 

b. 次級線圈與每個電池單元相連

 

該變壓器的一種實用模型支持多達12個電池單元。變壓器的可能連接數量限製了電池單元的個數。上述原型變壓器有28個引腳。

 

其中的開關采用OptiMOS3係列的MOSFET，它們的導通電阻極低
，因此其傳導損耗可以忽略不計(見圖3)。

圖3：電池管理模塊的原理圖

 

圖中的每個模塊都受英飛淩公司的8位先進微控製器XC886CLM控製。這種微控製器自帶閃存程序和一個32KB的數據存儲器。此外，它還有兩個基於硬件的CAN接口，支持通過公共汽車控製器局域網(CAN)總線協議與下麵的處理器負載通信。它還包含一個基於硬件的乘除法單元，可用於加快計算過程。

 

 

由於變壓器可以雙向工作，因此我們可以根據情況采取兩種不同的平衡方法。在對所有電池單元進行電壓掃描之後(電壓掃描的細節將在後麵介紹)，計算平均值
，然後檢查電壓偏離平均值最大的電池單元。如果其電壓低於平均值
，就采用底部平衡法(bottom-balancing)
，如果其電壓高於平均值
，就采用頂部平衡法(top-balancing)。

 

1.底部平衡法：圖4所示例子就是采用的底部平衡法。掃描發現電池單元2是最弱的單元，必須對其進行增強。

圖4：鋰離子電池的底部充電平衡原理

 

此時閉合主開關(“prim”)
，電池組開始對變壓器充電。主開關斷開後，變壓器存儲的能量就可以轉移至選定的電池單元。相應的次級(“sec”)開關——在本例中是開關sec2——閉合後，就開始能量轉移。

每個周期均包含兩個主動脈衝和一個暫停。在本例中
，40毫秒的周期轉換為頻率就是25kHz。在設計變壓器時
，其工作頻段應在20kHz以上，以避免出現人類聽覺頻率範圍內可感知的嘯叫噪音。這種聲音是由變壓器鐵氧體磁心的磁致伸縮導致的。

 

尤其是當某個電池單元的電壓已經達到SoC的de下xia限xian時shi

，底di部bu平ping衡heng法fa能neng夠gou幫bang助zhu延yan長chang整zheng個ge電dian池chi組zu的de工gong作zuo時shi間jian。隻zhi要yao電dian池chi組zu提ti供gong的de電dian流liu低di於yu平ping均jun平ping衡heng電dian流liu
，車che輛liang就jiu能neng繼ji續xu工gong作zuo，直zhi到dao最zui後hou一yi塊kuai電dian池chi單dan元yuan也ye被bei耗hao盡jin。

 

2.頂部平衡法：如(ru)果(guo)某(mou)個(ge)電(dian)池(chi)單(dan)元(yuan)的(de)電(dian)壓(ya)高(gao)於(yu)其(qi)他(ta)單(dan)元(yuan)，那(na)麼(me)就(jiu)需(xu)要(yao)將(jiang)其(qi)中(zhong)的(de)能(neng)量(liang)導(dao)出(chu)

，這(zhe)在(zai)充(chong)電(dian)模(mo)式(shi)下(xia)尤(you)其(qi)必(bi)要(yao)。如(ru)果(guo)不(bu)進(jin)行(xing)平(ping)衡(heng)，充(chong)電(dian)過(guo)程(cheng)在(zai)第(di)一(yi)塊(kuai)電(dian)池(chi)單(dan)元(yuan)充(chong)滿(man)之(zhi)後(hou)就(jiu)不(bu)得(de)不(bu)立(li)即(ji)停(ting)止(zhi)。采(cai)用(yong)平(ping)衡(heng)之(zhi)後(hou)則(ze)可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)保(bao)持(chi)所(suo)有(you)電(dian)池(chi)單(dan)元(yuan)的(de)電(dian)壓(ya)相(xiang)等(deng)而(er)避(bi)免(mian)發(fa)生(sheng)過(guo)早(zao)停(ting)止(zhi)充(chong)電(dian)的(de)情(qing)況(kuang)。

圖5：鋰離子電池的頂部充電平衡原理

 

圖5給出了頂部平衡模式下的能量流動情況。在電壓掃描之後，發現電池單元5是整個電池組中電壓最高的單元。此時閉合開關sec5，電(dian)流(liu)從(cong)電(dian)池(chi)流(liu)向(xiang)變(bian)壓(ya)器(qi)。由(you)於(yu)自(zi)感(gan)的(de)存(cun)在(zai)，電(dian)流(liu)隨(sui)時(shi)間(jian)線(xian)性(xing)增(zeng)大(da)。而(er)由(you)於(yu)自(zi)感(gan)是(shi)變(bian)壓(ya)器(qi)的(de)一(yi)個(ge)固(gu)有(you)特(te)性(xing)
，因(yin)此(ci)開(kai)關(guan)的(de)導(dao)通(tong)時(shi)間(jian)就(jiu)決(jue)定(ding)了(le)能(neng)夠(gou)達(da)到(dao)的(de)最(zui)大(da)電(dian)流(liu)值(zhi)。電(dian)池(chi)單(dan)元(yuan)中(zhong)轉(zhuan)移(yi)出(chu)的(de)能(neng)量(liang)以(yi)磁(ci)場(chang)的(de)形(xing)式(shi)得(de)到(dao)存(cun)儲(chu)。在(zai)開(kai)關(guan)sec5斷開後，必須閉合主開關。此時，變壓器就從儲能模式進入了能量輸出模式。能量通過巨大的初級線圈送入整個電池組。

 

頂部平衡法中的電流和時序條件與底部平衡法非常類似
，隻是順序和電流的方向與底部平衡法相反。

 

 

按照英飛淩E-Cart中的原型配置，平均平衡電流可達5A，比被動平衡法的電流高50倍。在5A的平衡電流下，整個模塊的功耗僅2W，因此無需專門的冷卻措施

，並且進一步改善了係統的能量平衡。

 

為了管理每個電池單元的充電狀態
，必須測量它們各自的電壓。由於隻有單元1在微控製器的ADC範fan圍wei內nei
，因yin此ci模mo塊kuai中zhong其qi他ta單dan元yuan的de電dian壓ya無wu法fa直zhi接jie測ce量liang。一yi種zhong可ke能neng的de方fang案an是shi采cai用yong一yi組zu差cha分fen放fang大da器qi陣zhen列lie，而er且qie它ta們men必bi須xu支zhi持chi整zheng個ge電dian池chi模mo塊kuai的de電dian壓ya。

 

xiawenzhongmiaoshudefangfazhixuzengjiahenshaoliangdeewaiyingjianjiunengceliangsuoyoudianchidanyuandedianya。zaigaifangfazhong，zhuyaorenwushijinxingchongdianpinghengdebianyaqitongshiyebeiyongzuoyigefuyongqi。

 

在電壓掃描模式中沒有使用變壓器的回掃模式。當S1到Sn這些開關中有一個閉合時，與其相連的電池單元的電壓就轉換到變壓器的所有繞組中。

 

在經過一個離散濾波器的簡單預處理之後
，被測信號就被送入微控製器的ADC輸入端口。開關S1到Sn中的某個開關閉合時所產生的測量脈衝持續時間可能非常短，實際導通時間為4us。因yin此ci，通tong過guo這zhe個ge脈mai衝chong存cun儲chu至zhi變bian壓ya器qi中zhong的de能neng量liang很hen少shao。而er且qie無wu論lun如ru何he在zai開kai關guan斷duan開kai之zhi後hou，存cun儲chu在zai磁ci場chang中zhong的de能neng量liang都dou會hui通tong過guo初chu級ji晶jing體ti管guan流liu回hui整zheng個ge電dian池chi模mo塊kuai。因yin此ci電dian池chi模mo塊kuai的de能neng量liang多duo少shao並bing不bu受shou影ying響xiang。在zai對dui所suo有you電dian池chi單dan元yuan進jin行xing完wan一yi個ge周zhou期qi的de掃sao描miao之zhi後hou，係xi統tong又you回hui到dao初chu始shi狀zhuang態tai。

 

 

zhiyouyongyouyitaoyouxiudedianchiguanlixitongcainengchongfenfahuixinxinglilizidianchisuojubeideyoushi。zhudongchongdianpinghengxitongdexingnengyuanyuanyouyuchuantongdebeidongfangfa
，erxiangduijiandande變壓器則有助於保持較低的材料成本。