分享几种锂电池均衡电路的工作原理

雨燕双飞 提交于 2020-01-21 12:01:26

原文

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新能源的发展,电动汽车发展,都会用到能量密度比更高的锂电池,而锂电池串联使用过程中,为了保证电池电压的一致性,必然会用到电压均衡电路。在这几年的工作过程中,用到过几种电池的均衡电路,在这里就跟大家一起分享一下。随着锂电池用途的增加,多节串联大容量锂电池的保护,电池管理及均衡必将会得到发展,希望自己做过的一些小东西能对大家有所帮助。

最简单的均衡电路就是负载消耗型均衡,也就是在每节电池上并联一个电阻,串联一个开关做控制,当某节电池电压过高时,打开开关,充电电流通过电阻分流,这样电压高的电池充电电流小,电压低的电池充电电流大,通过这种方式来实现电池电压的均衡,但这种方式只能适用于小容量电池,对于大容量电池来说是不现实的。

下图为一负载消耗性均衡的示意图

第二种均衡方法我没有实验过,就是飞度电容法。简单的说就是每一节电池并联一个电容,通过开关这个电容既可以并联到本身这节电池上,也可以并联到相邻的电池。当某节电池电压过高,首先将电容与电池并联,电容电压与电池一致,然后将电容切换到相邻的电池,电容给电池放电。实现能量的转移。由于电容并不消耗能量,所以可以实现能量的无损转移。但这种方式太繁琐了,现在的动力电池动不动几十节串联,要是采用这种方式,那的需要多少开关来控制啊。

下图为飞度电容法工作原理图,只是画出了相邻两节电池的均衡原理图。

第一次做均衡,是做的一款动力电池组的充电,电池容量80ah的两组并联,要求均衡电流为10a,原来了解的一点均衡的原理根本不够用啊,这么大电流都相当于一个一个的小模块了,最后还真的是搞了n个小模块串联,每节电池并联一个小模块,如果单体电池电压低于设定值,启动相应的并联模块,对低电压电池启动充电,补充能量提升电压,实现均衡。

下图为当时采用的均衡电路的示意图,DC-DC输入母线既可以是电池电压,也可是是别的模块提供的直流输入。根据需要灵活配置。

主动均衡方法可以采用我前面提到的一个变压器多路输出的方法 如果你想利用下面的电路示意图,做一个多路输出的反激电源,利用各个模块的输出电压来对电池实现均衡,我估计你需要很深的功力才可以,因为交叉调整率估计就会搞死你。但是,利用这个电路,我们可以换一下思路,各路输出不需要稳压都可以,当然为了防止开路损坏输出电容,我们可以做一个简单的原边反馈。然后在每路输出到电池之间串联一个电子开关,由于这种均衡都是配合电池管理系统一起工作的,因此每路输出只要串联一个电子开关,由管理单元控制即可,哪路电压地我们就可以打开这个电子开关,有电源输出给该节电池充电,直到所有单体电池电压达到我们的期望值。

采用这种均衡方法,曾经做过1000AH,7串电池及300AH,80串电池的均衡,均衡完成后,所有单体电池电压可以达到5mV以内。

主动均衡也可以采用能量转移的方法,所谓能量转移,既可以是从整组电压取能量向低电压补充,也可以是从将电压过高的电池取能量向整组电压反馈。我在一款通讯电源电源系统中用过第二种方式实现过电池均衡。电路原理图如下:

忘了是参考的谁写的一篇论文做的,当时做的是16串锂电池的均衡,分成了两组,每组8只电池串联,这里只画了6只描述工作原理,如果电池B5电压过高,控制Q5以PWM模式工作,当Q5开通,电感L5储能,当Q5关闭,电感储存的能量就会通过D5给电池B1-B4充电,降低B5电池电压抬高其余电池电压,利用同样的原理可以分析其余电池组电压过高时候的工作过程。

在试验过程中,两组之间各自采用这种方式均衡,当两组之间出现偏差的时候,就可以采用双向DC-DC进行能量转换了,这样采用的模块数量较少,设计比较方面,我当时没有采用双向DC-DC,而是简单的采用的能量消耗性做两组之间电池的均衡。从最终的试验效果来看,电池均衡还是比较不错的。

示意图已经补充完了,这就是截止目前为止,我试验过的四种电池均衡的方式,均衡的电池从2AH到1000AH,串联的节数从7串到120串,个人感觉如下:

1、对于10AH以内的电池组,采用能量消耗型可能是比较好的选择,控制简单。

2、对于几十AH的电池组来说,采用一拖多的反激变压器,结合电池采样部分来做电池均衡应该是可行的。

3、对于上百AH的电池组来说,可能采用独立的充电模块会好一些,因为上百AH的电池,均衡电流都在10多A左右,如果串联节数再多一些,均衡功率都很大,引线到电池外,采用外部DC-DC或AC-DC均衡也许更安全。

目前的均衡都是以电池电压一致作为均衡的结束条件,但随着SOC计算越来越准确,容量一致的均衡应该是未来发展的趋势。

一花一天堂

1. 如何检测到B5的电压过高(其它节数类似)

- 是不是利用带均衡功能的保护IC ,给出判断结果?

2. Q5 什么时候启动?

- 是不是 保护IC给出的判断结果,来使能BOOST 模块?

我推测的,您看对不对?

您的方法是?

YTDFWANGWE

带电池均衡肯定是对于带单体检测来说的,电池保护功能一样,当检测模块检测到某节电池电压过高就会发出使能,至于q5的pwm如何控制啊,那就各自想招了。

yuyuhan

楼主,想问一下这个电路开关的占空比是由什么确定的?

YTDFWANGWEI

可以固定占空比。但是否工作需要有电路来控制。

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