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电池平衡技术及其使用方法

   日期:2019-11-29     浏览:0    
核心提示:电池平衡技术及其使用方法
 

电池平衡技术及其使用方法

标称锂电池的额定电压仅为4.2V左右,但在诸如EV,便携式电子产品,笔记本电脑,移动电源等使用中,咱们需要比标称电压高得多的电压。这便是为甚么设计人员将多个以上的电池串连组合以组成更高电压值的电池组的原由。从上一篇《电动汽车电池》的文章中可以晓得,当电池勾结组适时,电压值会相加。比如,当四个4.2V的锂电池勾搭连贯时,所得电池组的有效输出电压将为16.8V。

然则您可以设想串连连贯许多单位就像将许多马安装在战车上一样。只要当所有马匹都以相通的速率运行时,战车才会以最大的效率被驱动。在四匹马中,若是一匹马跑得慢,那么其他三匹马也必须低落速度,从而低落违抗,如果一匹马跑得快,最终会由于拉其他三匹马的累赘而戕害自身。类似地,当四个电池勾通连接时,全体四个电池的电压值应相当,以最大屈服导出电池组。维持全体电池电压至关的方法称为电池平衡。在本文中,咱们将学习无关单位平衡的更多动静,并扼要引见若何在硬件和软件级别使用它们。 

 

为何需要细胞平衡?

电池单元平衡是一种武艺,其中勾结毗连以造成电池组的每一个单个电池单位的电压电平维持相等,以实现电池组的最大违抗。当将分歧的电池组合在共同以组成电池组时,请不停确保它们具有沟通的化学性质与电压值。但是一旦安设好电池组并对其发展充电和放电,由于某些原因我们将在背面讨论这些电池单元的电压值趋于变卦。电压电平的这种变幻会导致电池不平衡,这将招致以下标题之一

 

热失控

大要发生的最糟糕的事件是热失控。远近闻名,锂电池对太过充电与适度放电极为敏感。在四个电池的电池组中,假定一个电池为3.5V,而另一个电池为3.2V,则由于悉数电池串连,电荷将对全部电池一路充电,并且由于其他电池仍在充电,于是会将3.5V电池充电至高于倡导的电压需要充电。

细胞降解

当锂电池太甚充电时,纵然略高于其举荐值,电池的遵守和使用寿命也会高涨。譬喻,充电电压从4.2V略微增加到4.25V,会使电池晋级30%。于是,假如电池电量平衡禁绝确,则即使稍微太过充电也会压缩电池寿命。

 

包装不纯粹充电

跟着电池组中电池的老化,可以没有几个电池比它的相邻电池更弱。这些星期的细胞将是一个弘大的题目,由于它们将比畸形的安康细胞更快地充电和放电。用勾串电池为电池组充电时,即使一个电池抵达最大电压,也应中止充电过程。多么,要是电池组中的两个电池布满电,它们将更快地充电,因此残余的电池将不会被充电到最大,以下所示。

不完全使用Pack能量

类似地,在相反的状况下,当电池组放电时,较弱的电池将比畸形的电池放电更快,并且它们将比其他电池更快地达到最小电压。正如我们在BMS文章中相识到的,即使一个电池抵达最低电压,电池组也会与负载断开毗邻。招致电池组能量的未使用容量,以下所示。

思忖到所有上述或许的有利成分,咱们可以得出论断,为了使电池组到达最大违拗,必需发展电池单位平衡依然有少数应用法式的初始利润理应很是低,何况在那些应用法度模范中可以提防电池更换不是标题,可以防范电池平衡。可是在包括电动汽车在内的大多数使用中,必须使电池平衡,才能从电池组中获取最大汁液。

 

是什么导致电池组中的电池失衡?

而今我们晓得为何保持电池组中的全部电池平衡很需要。可是要正确计划这个标题问题,我们理当晓得为什么第一手的单位会变得不屈衡。如前所述,当经由勾通布置电池造成电池组时,请确保全数电池处于相反的电压水准。因此,新电池组将始终具有平衡的电池单元。但是,由于以下缘由电池组投入使用后,电池会变得不平衡

 

SOC失衡

测量电池的SOC很烦复。于是,丈量电池中单个电池的SOC极为复杂。抱负的电池平衡手艺应成家近似SOC而不是类似电压(OCV)电平的电池。可是,由于实践上不行能在制作电池组时仅根据电压对电池进行立室,是以SOC的变动兴许会导致OCV在适合的时刻发生变动。

 

内阻更改

很难找到具有沟通外部电阻(IR)的电池,况且跟着电池寿命的增长,电池的IR也将发生更换,于是在电池组中,并不是全部电池都具有相反的IR。家喻户晓,IR会影响电池的内部阻抗,从而选择流过电池的电流。由于IR变卦,流过电池的电流及其电压也会更动。

 

温度

电池的充电和放电容量还取决于其附近的温度。在像电动汽车或太阳能电池阵列如许的大型电池组中,电池单位漫衍在浪费的周边,电池组之间或许存在温度差异,导致一个电池单元的充电或放电速率比其余电池单位快,从而导致电池失衡。

 

基于上述启事,很显然,咱们没法防止电池在哄骗过程中变得不平衡。是以,独一的设计方案是使用一个外部零碎,在电池不平衡后钳制其从头抵达平衡。该体系称为电池平衡体系有许多一致类型的硬件和软件武艺可用于电池电量平衡。让咱们讨论类型和普及使用的技术手段。

 

电池平衡的类型

电池平衡技能可以大略分为以下列出的四个类别。咱们将计议每个种别。

  1. 自动细胞平衡
  2. 主动电池平衡
  3. 无损电池平衡
  4. 侵蚀还原梭

 

1.主动细胞平衡

无源电池平衡方式是一切方法中最容易的方法。它可以在资本和尺寸是主要制约的处所使用。以下是两品种型的被动电池平衡。

 

电荷分流

在这种门径中,捏造负载(如电阻器)用于截留多余的电压,并与其他电池进行均衡。这些电阻器喻为旁路电阻器或渗泄电阻器电池组中串连联接的每个电池将通过开相关接其自身的旁路电阻,以下所示。

下面的示例电路显示了四个单位,每个单元经由过程诸如MOSFET之类的开相关接到两个旁路电阻。控制器丈量全部四个电池的电压,并为电压高于其他电池的电池开启MOSFET当mosfet掀开时,该特定电池初步经由进程电阻放电。由于我们晓得电阻器的值,​​于是咱们可以料想电池正在花销若干电荷。与电池并联邻接的电容器用于过滤开关时代的电压尖峰。

这种门径不是很有效,由于电能会随着电阻中的热量迷失,何况电路也会考虑开关损耗。另外一个毛病是整个放电电流流经mosfet该mosfet大一小部份内置在控制器IC中,因此必需将放电电流限定为较低的值,这会增长放电光阴。企图该缺陷的一种法子是使用外部开关来增长放电电流,下列所示

内部P沟道MOSFET将由控制器触发,从而使电池通过电阻R1和R2放电(I偏置)。选择R2的值,使得由于放电电流(I-bias)的流动而在其中间发生发火的电压降足以触发第二个N沟道MOSFET。该电压喻为栅极源极电压(Vgs),偏置MOSFET所需的电流称为偏置电流(I-bias)。

 

一旦N沟道MOSFET导通,电流就会流过平衡电阻R-Bal该电阻的值可以很低,以准许更多的电流经过,从而使电池放电更快。该电流称为漏极电流(I漏极)。在该电路中,总放电电流是漏极电流和偏置电流的总与。当控制器关闭P沟道MOSFET时,偏置电流为零,因此电压Vgs也变为零。这将关闭N沟道MOSFET,使电池再一次复原志向形状。

 

无源电池平衡IC

当然无源平衡技术屈从不高,但由于这类容易性与低利润,是以更为常用。除了设计硬件,您还可以使用别离来自线性产商德州仪器的闻名制造商的LTC6804BQ77PL900等现成的IC 这些IC可以级联以监督多个单位并靡费开荒年光和本钱。

 

充电限度

电荷制约门径是一切法子中苦守最低的方法。在此,仅思考电池的保险性和使用寿命,而摒弃了功能。在这种法子中,单个电池电压被一连监控。

 

在充电过程中,纵然一个电池达到了满充电电压,充电也将住手,而另外一电池则只剩下一半。异样,在放电过程当中,纵然一个电池到达最小截止电压,电池组也会与负载断开毗连,直到电池组再次充电。

只管此方法苦守低下,但低沉了成本和尺寸申请。因而,它可用于常常为电池充电的使用中。

 

2.主动电池平衡

在无源电池平衡中,多余的电荷没有被利用,因而被认为是有用的。在主动平衡中,多余的电荷从一个电池转移到另外一个低电荷的电池,以使它们均衡这是经由历程利用电荷存储元件(如电容器与电感器)来完成的。有许多执行主动电池平衡的方法,让我们找寻一下常用的门径。

 

充电梭(飞翔电容器)

该方式利用电容器将电荷从高压电池转移到低压电池。电容器经由SPDT开相关接,一开始,开关将电容器连接到高压电池,一旦电容器被充电,开关将其联接到低压电池,低压电容器中的电荷流入电池。由于电荷在电池之间穿越,于是该门径喻为电荷穿越。下图该当可以捐募您更好天文解。

 

这些电容器被称为飞跨电容器,由于它们在随身带充电器的低压电池和高压电池之间进行飞跨。该法子的缺欠是电荷只能在相邻电池之间转移。其他,由于电容器必需充电尔后放电以转移电荷,因此花费更多工夫。由于电容器的充电和放电时代会损失能量,而且还必需思虑开关损耗,因此效率也尤其低。下图显示了若何将疾速电容器连接到电池组中

电感转换器(降压升压方法)

有源电池平衡的另外一种门径是使用电感器和开关电路。在这种门径中,开关电路由降压升压转换器组成来自高压电池的电荷被泵入电感器,此后使用降压升压转换器放电到高压电池中下图闪现只有两个单位和一个降压升压转换器的电感式转换器。

在上述电路中,经由以下列方式切换MOSFETs sw1和sw2,电荷可以从单元1转移到单元2。首先,开关SW1闭合,这将使来自电池1的电荷以电流I-电荷流入电感器。电感器满盈电后,开关SW1打开,开关sw2闭合。

当初,充塞电的电感器将反转其极性并入手下手放电。此次,来自电感器的电荷经由电流I放电流入单位2。电感器纯粹放电后,开关sw2掀开,开关sw1闭合以一再该进程。以下波形将匡助您取得清楚的画面。 

在年光t0时代,开关sw1闭合(导通),这导致电流I charge增大,况且电感器(VL)两端的电压增大。今后,一旦电感器在时间t1洋溢电,开关sw1就会翻开(断开),这会使电感器解放在上一步中积累的电荷。当电感器放电时,其极性篡改,于是电压VL显示为负。放电时,放电电流(I放电)从最大值减小。悉数这些电流进入电池2进行充电。从岁月t2到t3准予一个小的隔绝距离,接下来在t3整个周期再次频频。

该方式还具有首要短处,即电荷只能从较高的电池转移到较低的电池。还应思索开关损耗与二极管压降。但这比电容器办法更快,更有效。

 

电感式转换器(基于反激式)

正如咱们接头的那样,降压/升压转换器办法只能将电荷从较高的单位传输到较低的单元。经过使用反激转换器和变压器可以防范此标题问题。在反激式转换器中,绕组的低级侧毗连到电池组,而次级侧邻接到电池组的每一个独自的电池,以下所示

 

众所周知,电池使用直流电运转,直到切换电压,变压器才起作用。是以,为了初阶充电过程,切换了低级线圈侧Sp上的开关。这会将DC转换为脉冲DC,并激活变压器一次侧。

那会,在次级侧,每个单元都有自身的开关和次级线圈。经由过程切换高压电池的mosfet,我们可使特定的线圈充任变压器的次级线圈。何等,来自高级线圈的电荷被转移到次级线圈。这会招致整个电池组电压放电到弱电芯中。

这类方式的最大长处是,可以容易地从电池组电压为电池组中的任何弱电池充电,而无需对特定电池进行放电。但是由于此中网罗一个变压器,所以它并吞了很大的空间况且电路的繁冗性很高。

 

3.无损平衡

无损平衡是比来启示的一种法子,可经由进程削减硬件组件并提供更多软件控制来减少损失。这也使系统更简单,更容易于设计。该门径使用矩阵开关电路,该电路供给了在充电和放电过程当中从电池组中添加或移除电池的功能。下面显示了用于八个单位的容易矩阵切换电路。

在充电历程中,将使用开关装置将高电压的电池从电池组中取出。在上图中,通过使用开关将电池5从电池组中取出。将红线圆视为断开开关,将蓝线圆视为闭合开关。因此,较弱的电池的静止时日在充电历程中增进,以便在充电时期使它们平衡。可是必须相应地调解充电电压。在放电时代也可以遵循类似的技术手段。

 

4.侵蚀还原梭

终极方式不是针对硬件设计师,而是针对化学项目师。在铅酸电池中,咱们不有电池平衡的标题,因为当铅酸电池过分充电时,会引起放气,从而防止其太甚充电。氧化还原穿梭背后的设法主意是通过篡改锂电池电解质的化学实质,测验考试对锂电池实现相同的造诣。这种改性的电解质应防止电池过火充电。

 

信元平衡算法

有效的电池平衡妙技应将硬件与适合的算法疏散起来。电池单元平衡的算法得多,这取决于硬件设计。但是类型可以归纳为两个差别的有部分。

 

测量开路电压(OCV)

这是简单且最经常使用的门径。在此,对每个电池丈量开路电池电压,并且电池平衡电路用于平衡勾通毗连的所有电池的电压值。测量OCV(开路电压)很容易,是以该算法的烦复性较小。

 

测量充电形状(SOC)

在这类门径中,电池的SOC是平衡的。远近闻名,测量电池的SOC是一项冗杂的任务,由于我们必需思索一段时日内电池的电压和电流值,才能合计出SOC的值。该算法很烦复,用在要求高功能与安全性的处所,譬喻在航空航天财富中。

 

到此竣事本文的总结。指望而今您对甚么单位平衡是如何在硬件与软件级别上实现有一个扼要的领略。要是您有任何设法主意或材干,请在指摘一小块中共享它们或使用bbs获取技艺救助。

 
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