航模 能量转移式 2S~8S 锂电池组高效均衡设计原理

作者:fly 发布于:2014-4-14 14:45 分类:嵌入式

   随着锂离子电池(以下简称锂电池)生产工艺的不断提高,大容量的单体锂电池已经得到了广泛的应用。相比过去,大容量的单体锂电池可以大幅度减少电池组中单体电池的数量,提高电池组系统的可靠性。同时,大容量的单体锂电池如果串(并)联使用,在管理方面有很多新的要求,本文在对比以往的电池组管理系统(BMS)的基础上,提出改进方案,从而实现高速、高效的电池组均衡。

锂电池组均衡系统现状分析

目前工业界最常用的方法仍然是早期的分流电阻法,这种方法效率较低但是简单可靠,很多公司也为此开发了专用的芯片,目前比较流行的是Intersil 公司生产的ISL9208/16/17系列产品,已经可以做到最多12 节中小容量单体锂电池串联。相比这些现有基于单芯片的管理系统,大容量锂电池有如下特点:首先,大容量的单体锂电池成本比较高,对均衡的效率和精度要求比较高,如果电池组寿命与自身价格不能相称,将极大地限制其自身的推广和发展;其次,大容量锂电池由于自身容量大,如果均衡电流太小则效率低下,以20AH 的单体锂电池为例,充电电流在3~5A,均衡电流要求1~2A,而ISL9208 系列的自带均衡电流最大只有200mA;最后,均衡电流的增大,能量消耗型均衡已经不适用,大电流下的能量消耗以及产生的高热都会造成系统的不稳定。

均衡电路的拓扑选择

对于非能量消耗型均衡,基本原理是将能量从电压高的电池转移到相邻电压较低的电池上。一般电路拓扑主要采用的是Buck- Boost 结构(如图1 左所示),该结构实现简单效率适中,但是在运行过程中为保持其工作在DCM状态,控制MOSFET管的PWM波占空比要小于50%,因此能量的转移只能在DT(D 为占空比,T 为开关周期)内进行。Buck- Boost 结构的输入/ 输出电流是不连续的,在某些对电流有要求的场合是不适用的。基于开关型控制的思路,本文采用的是另一种开关型拓扑———Cuk 结构(如图1 右所示),Cuk 型结构的电路在DT 和(1- D)T 都可以进行均衡,PWM波占空比不受DCM限制,基本结构虽然比Buck- Boost 略复杂,但能量转移效率高,均衡时

间短。另外,Buck- Boost 结构的开关电流是脉动的,因此一般都需要附加一个输入/ 输出低通滤波器,而Cuk 结构自身的L1、C1 就已经起了这个作用, 相比之下Cuk 结构与Buck- Boost 结构整体电路复杂程度相差不大。

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均衡电路的工作原理

   主干电路由S1、S2、L1、L2 和C1 组成,设S1 导通周期为Ton,周期为T,占空比D=Ton/T,由MCU 产生PWM波来控制S1、S2的通断。假设MCU 检测到VB1>VB2,则B1 要向B2 转移能量,MCU 向S1 发送PWM信号,S2 保持关断。此时均衡电路进入工作状态。

  (1)在Ton 期间,如图2 左所示。S1 导通,把能量输入环路闭合。此时B1 分流出的电流I1 使L1 储能,电容C1 放电I2,使L2储能并向B2 充能。

  (2)在Toff 期间,如图2 右所示。S1 断开,把能量输出环路闭合。此时B1的电流和L1的释能电流I1使C1储能,同时L2释能电流I2 向B2 充能。

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    由此可知,S1无论在Ton还是Toff,B1都在向B2转移能量,体现了Cuk拓扑的高效率,电容C1是能量转移的载体,在整个周期T 中输入输出都是持续电流。反之,若MCU 检测到VB2>VB1,则向S2发送PWM信号,S1保持关断,B2向B1转移能量。

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