电池均衡问题及均衡电路的讨论

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随着电子设备的发展,电池所使用电压和电流的规格趋于多样化,小到小功率电动工具,大到电动汽车的动力电池,电池应用会涉及到各种电池串联和并联形成电池组的使用方式,以便增加电池的电压和容量。

我们举一个典型的案例,如图0所示,特斯拉ModelS的电动汽车电池共有16个电池模块,每一个电池模块具有四百四十四节电池,共七千一百零四节电池,每一个电池模块是674并的模块,想象一下,平衡所有的电池是一个非常有挑战的事情。

图0

实际应用中,当发生电池串联时,难免会遇到电池不平衡的问题。一般的情况下,当电池出厂时,电池的电压及容量基本一致,如图1所示,

                       

                                    图1

但是随着时间的推移,电池的状态会由于电池生产制造工艺的不同,以及自放电等因素,电池电压及容量的状态会发生较多明显的变化,如下图2所示,

                       

                                  图2

有人会问,什么是电池自放电呢?实际上它是电池内部自己产生的一个电荷泄露过程,此时事实上,并没有产生负载放电回路。由于不同电池个体内部阻抗的不同,随着时间的推移,及高温等因素,会不断加速这种变化产生。所以,在一些应用中,比如储能系统使用淘汰下来的梯次电池会存在很多安全隐患。

随着对这个存在不平衡问题的电池组的继续放电使用,则电压最低的电池的电压会越来越低,以至于最终达到0,如图34所示,随着进一步的流过其它较强电池的电流,则它的电压可能会变为负值,此时就会很容易发生电池损坏和起火等事件。

               

                            图3

                

                          图4

对于一些低成本电池组,并不会对每一节电池电压进行实时监控,所以,当产生最弱电池电压变负后,就会发生不可逆转的失效或者事故。而具有单节电池保护电路的电池可以将最弱电池变为开路,以此阻止继续放电,从而避免安全事故,但这并非是一个高效的处理方式,接下来我们解释一下这一点。

从下图5可见,当最弱电池变为开路后,其它较强电池的剩余电量就不能继续使用了,所以,这就造成了电池容量的巨大浪费,一般我们会在电池内部添加单节电池保护线路,如图6所示,除了监控电池串联总的电压之外,会有一部分电路去监控每一节电池电压,实时上报给主CPU处理器,必要时去做欠压或者过压的保护动作,在充电过程中,主要面临的问题就是最弱单节电池的过压问题,而在放电过程中主要面临的问题是最弱电池的欠压问题。

                

                                     图5

                                     图6

7给出了一个串联电池组在充电过程中的电压变化过程,可以看出第三节电池是一个最弱的电池,它由于一些原因导致其容量严重不足,所以在充电过程中,其电压上升速度很快,以至于超过最大允许电压,如果不施加过压保护电路,则若干周期后必然导致电池损坏。另一方面,即使添加了单节电池过压保护电路,则在最弱电池达到允许的最大电压前关闭此节电池的充电回路,则其它电池还处于未充满的状态,这势必不能很好的利用电池的容量,温度因素同时会恶化这个过程,所以,一旦存在劣质电池存在于电池组中,你的电池组容量就像一个很小容量的电池,很快就会不能用。

                                   图7

电池平衡的既然会导致严重的电池容量浪费,我们一定要通过一些方法去避免这种不经济的运行方式,我们接下来会讨论几种电池平衡电路,通过它来解决这个问题。

 

电阻分流器的方式是最基本的处理电池平衡的方法,如下图8所示,

              

                             图8

如图8所示的电路,在每节电池两端连接一对电阻,且和一个可控的晶体管串联,当系统监控到最大电压的电池时,将晶体管闭合,这样流过这节电池的电流会被分流掉一部分,但是电池组总的充电电流不会变化,那么,其它电池的电压会更快地被充电,其电压慢慢地赶上最高电池电压,当系统检测到这个门限时,就会切断晶体管,接下来进行正常充电。

 这种方式的好处是成本较低,容易实现,其缺点是部分充电能量会被当做热能在分流器电阻上耗散掉,所以一般的建议,将电阻和晶体管放置在相对远离电池空间处,以免热耗散会加剧电池不平衡的状态。

另一种处理电池平衡的方法是飞跨电容方式,如图9所示,主要思想是通过电容作为搬运电荷的工具,将电荷从最高电池电压搬运到最低电池电压上。

                                图9

举例来说,如图10所示,当最上面的电池电压是最高时,比如3.87V,当飞跨电容接到上面时,电容电压被充电到3.87V

                                图10

接着充好电的3.87V的飞跨电容接到最低电压电池上,如图11,这样能量从飞跨电容会转移到3.8V的电池上,电池电压会变为3.81V,同时由于并联关系,飞跨电容电压也会变为3.81V.

                                   图11

接着3.81V飞跨电容会重新接到最高电压电池上,如图12,此时能量继续从最高电压电池传递到飞跨电容,此时二者电压同时变为3.86V.

                                    图12

紧接着飞跨电容又被连接到最低电池电压3.81V上,达到平衡时,电池电压和飞跨电容变为3.82V,此时它就不再是最弱的电池了,如图13所示。

图13

系统会不停的以诸如上述方式进行电荷的转移,最终电池电压最终会达到平衡。由于飞跨电容的电荷容量和电池的电荷容量相比相对比较小数百万倍,所以能量在飞跨电容和电池之间的传递频率会是数千赫兹的水平,由于大部分能量不会以热能散掉,这种方式相对电阻分流器的方式更节省能耗。上述过程,我们仅仅从原理上去分析电荷传递的过程。

第三种处理电池平衡的方法,是采用双向DC/DC变换器,将能量从一个电池中传递到另一个电池中。DC/DC电池变换器可以根据需要设计为隔离式DC/DC,如同步整流反激变换器或者同步整流正激的变换器,也可以设计成非隔离的DC/DC电路,如Buck4SW buck-boost等。

电源的输入端可以是电池串,也可以是单节电池,输出端设计为可选择输出的多路输出电源。这种方法,可以用于一些大功率电池应用中。接下来,我们会简单介绍两种大功率电池平衡的例子,一种是混动车中的48V12V电池平衡,另一种是5G备用电池中的,铅酸电池和锂电池的电池平衡。

                                       图14

如下图15,是在HEV或者PHEV车上广泛存在的48V总线结构,由于车辆电气化的逐步发展,越来越多大功率电气化设备的增加,原有12V铅酸电池的总线电流会达到几百安培,增加48V锂电池电池后,采用48V总线供电,则大大减小了总线电流,线损会减小为十六分之一。同时由于48V电池的储能效应,在刹车时,可以将动能能量存储在48V电池中,再次启动时,会更容易启动,在节能上也有一定的帮助。

                                    图15

通过一个同步整流Buck电路,将48V电池能量转移到12V铅酸负载,而从12V铅酸电池的能量可以反向以Boost电路运行,将能量转到48V电池,通过dsPIC33来作为主控制器,可以很容易对48V12V之间的buck DC/DC做双向运行,作如图16所示。

图16

另一种电池平衡的案例,是5G基站备用电源中的双向DC/DC电源,随着5G基站设备的增加,电网受到比较大的压力,因此需要一个48V储能电池放置在系统中,同时50V基站负载还会一直连接铅酸负载给客户,两个电池之间会通过一个双向DC/DC来实现,

 

        电池组合的另一种方式,就是电池并联,电池并联的情况会简单一些。如图17所示,正常情况下,并联的四个电池,其充电或者放电电压必然是相同的,而充电或者放电电流也基本相同。

                       

                                     图17

在如下图18所示的并联电池充电过程中,容量偏小的电池,如最左侧的一个,由于其阻抗较大,所以,其获得的充电电流会偏小,其减小的充电电流部分会被其它阻抗较小的电池所分担,所以容量较小的电池充电相对较慢,必然不会出现过压问题。

  

                                   图18

在并联电池的放电过程中,也是类似的过程,如图19所示。容量较小的电池,由于其内部阻抗较高,所以会有较小的放电电流,其减小部分的电流会被其它正常电池所分担,所以较差的容量低的电池不会产生欠压的情况。

    

                                 图19

如果在一个系统中,很多个电池的容量都变小了,那么这时候这个事情就变得相对不可控了,因为大多数充电或者放电电流都被转移到较少数得电池上了,这个电流会超过其允许得正常电流,逐渐得这些电池也就会被损坏或者降级,如下图20中得最右侧的电池。

                                   图20

总结,通过以上的分析,我们了解了引起电池不平衡的原因及现象,基于此分析了三种处理电池不平衡现象的电路方法,对于我们了解电池管理系统的一些设计思路有一定帮助。

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