浅析锂离子电池的主动充电平衡方法

位于慕尼黑的英飞凌技术公司的汽车系统工程部门最近接到了一项开发电动汽车的任务。e-cart是一种可驾驶的车辆，重要用于展示混合动力汽车的电动性能。该车将由一个巨大的锂离子电池组供应动力，开发人员了解，一个平衡的电池是必要的。在这种情况下，有必要选择电池之间的自动能量转移，而不是传统的简单的充电平衡方法。他们开发的自充电平衡系统能够以与强制计划相同的成本供应优越的功能。

电池结构

多年来，镍镉电池和镍氢电池一直主导着电池市场。锂离子电池最近才进入市场，但它们的市场份额正在迅速上升，因为它们的性能得到了极大改善。锂离子电池有令人印象深刻的存储能力，但即便如此，单个电池的容量太低，无论是电压还是电流，都不能满足混合动力引擎的需求。并联多个电池可以新增电池供应的电流，串联多个电池可以新增电池供应的电压。

电池组装者通常用缩写词来描述他们的电池产品，比如3P50S，意思是电池组有三个平行的电池单元和50个串联的电池单元。

模块化结构是处理包括多个系列电池单元的电池的理想选择。例如，在一个3P12S电池阵列中，每12个电池串联形成一个块。这些细胞可以通过一个以微控制器为中心的电子电路来控制和平衡。

这种电池模块的输出电压取决于串联的电池数量和每个电池的电压。锂离子电池的电压通常在3.3v到3.6v之间，所以电池模块的电压大约在30V到45V之间。

混合动力车的驱动要450伏的直流电源。为了根据充电状态补偿电池单元电压的变化，在电池组和发动机之间连接dc-dc变换器是合适的。转换器还可以限制电池组的电流输出。

为了保证dc-dc变换器工作在最佳状态，电池组电压要求在150V~300V之间。因此，要5到8个电池模块串联。

平衡的必要性

假如电压超过允许的大小,锂离子电池很容易损坏(见图2)。假如电压超过上限和下限(nano-phosphate的锂离子电池,下限是2v和上限是3.6v),电池可能会遭受不可挽回的损害。结果，至少，是加速电池的自我放电。电池的输出电压在宽充电状态(SOC)范围内是稳定的，电压违反安全范围的风险很小。但在安全范围的两端，充电曲线都相对陡峭。因此，为了预防起见，有必要对电压进行严密监控。

假如电压达到临界值，则必须立即停止放电或充电过程。在稳健的平衡电路的帮助下，相关电池的电压可以返回到一个安全的刻度。但是要做到这一点，电路必须能够在电池中任何一个电池的电压开始与其他电池不同的时候在电池之间传输能量。

充电平衡法

1.传统的强制方法:在一般的电池处理系统中，每个电池单元通过一个开关连接到一个负载电阻上。这个强制电路可以放电个别选定的细胞。但是，这种方法只能以充电的形式来抑制最强电池的电压升高。为了限制功耗，这种电路通常只允许以大约100mA的小电流放电，导致充电平衡可能要几个小时。

2.自动平衡法:在相关的材料中有很多种自动平衡方法，都要一个储存元件来承载能量。假如使用电容作为存储元件，将其连接到任何电池单元将要一个巨大的开关阵列。更加有效的方法是在磁场中储存能量。电路中的关键元件是变压器。样机由英飞凌开发团队与沃格特电子元件有限公司合作开发。它的功能是:

A.在电池单元之间传递能量

B.以基电压将多个单个电池电压连接到ADC输入端

该电路是根据反向扫描变压器原理构造的。这种变压器可以在磁场中储存能量。