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浅析锂离子电池组的主动充电平衡法

2014-09-09 14:17
Minor昔年
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  a. 在电池单元之间转移能量

  b. 将多个单独的电池单元电压复接至一个基于地电压的模数转换器(ADC)输入端

  该电路是按照回扫变压器原理构造的。这类变压器能够将能量存储在磁场中。其铁氧体磁心中的气隙增大了磁阻,因此可以避免磁心材料出现磁饱和。

  该变压器两侧的电路是不同的:

  a. 初级线圈与整个电池组相连

  b. 次级线圈与每个电池单元相连

  该变压器的一种实用模型支持多达12个电池单元。变压器的可能连接数量限制了电池单元的个数。上述原型变压器有28个引脚。

  其中的开关采用OptiMOS3系列的MOSFET,它们的导通电阻极低,因此其传导损耗可以忽略不计(见图3)。

  浅析锂离子电池组的主动充电平衡法

  图3:电池管理模块的原理图

  图中的每个模块都受英飞凌公司的8位先进微控制器XC886CLM控制。这种微控制器自带闪存程序和一个32KB的数据存储器。此外,它还有两个基于硬件的CAN接口,支持通过公共汽车控制器局域网(CAN)总线协议与下面的处理器负载通信。它还包含一个基于硬件的乘除法单元,可用于加快计算过程。

  平衡方法

  由于变压器可以双向工作,因此我们可以根据情况采取两种不同的平衡方法。在对所有电池单元进行电压扫描之后(电压扫描的细节将在后面介绍),计算平均值,然后检查电压偏离平均值最大的电池单元。如果其电压低于平均值,就采用底部平衡法(bottom-balancing),如果其电压高于平均值,就采用顶部平衡法(top-balancing)。

  1.底部平衡法:图4所示例子就是采用的底部平衡法。扫描发现电池单元2是最弱的单元,必须对其进行增强。

  浅析锂离子电池组的主动充电平衡法

  图4:锂离子电池的底部充电平衡原理

  此时闭合主开关(“prim”),电池组开始对变压器充电。主开关断开后,变压器存储的能量就可以转移至选定的电池单元。相应的次级(“sec”)开关——在本例中是开关sec2——闭合后,就开始能量转移。

  每个周期均包含两个主动脉冲和一个暂停。在本例中,40毫秒的周期转换为频率就是25kHz。在设计变压器时,其工作频段应在20kHz以上,以避免出现人类听觉频率范围内可感知的啸叫噪音。这种声音是由变压器铁氧体磁心的磁致伸缩导致的。

  尤其是当某个电池单元的电压已经达到SoC的下限时,底部平衡法能够帮助延长整个电池组的工作时间。只要电池组提供的电流低于平均平衡电流,车辆就能继续工作,直到最后一块电池单元也被耗尽。

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