锂离子电池组的主动充电平衡法
一种实现动力锂电池组充放电管理的主动均衡方案
4 实验与测试
最终完成实验的电路板能够
２１ 2010 第 10 期
E 电动自行车 LECTRIC B ICYCLE
尾”状的放电曲线变得收敛。
5 结束语
从以上的结论也可以看出， 采用变压器的主动均衡方案不仅 能够克服以往方案的各种缺点， 而且能够获得较大的均衡电流。 均衡电流越大，均衡时间也就越 短，这对使用大容量电池的电动 汽车、电动摩托车、电动自行 车、电动工具等具有实用意义。 除此之外，此方案同时还兼具可 扩展性和较大的弹性。因为分离 元件的设计，工程师可以根据不 同的应用选择适用的变压器参数 和 MOSFET 开关，以满足不同 的均衡电流的要求。对不同的电
模式进入了能量输出模式。能量
通过初级线圈送入整个电池组。
3. 2 底部均衡法
底部均衡法中的电流和时序
条件与顶部均衡法非常类似，只
是顺序和电流的方向与顶部均衡
法相反。扫描发现电池单元 2 是
图 4b 电池组之间的均衡示意图 最弱的单元，必须对其进行补充
充电。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“( s e c”)开关在本例中 是开关 sec2 闭合后，就开始能 量转移。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就能 持续放电，直到最后一块电池单 元也被耗尽。 3. 3 电池组间均衡法
锂离子电池组的双向主动均衡研究
分类号：密级：论文编号：学号：52170401123重庆理工大学硕士学位论文锂离子电池组的双向主动均衡研究研究生:李琛指导教师：罗勇副教授斯红路教授级高工学位类型：专业学位专业学位类别：工程硕士（车辆工程领域）研究方向：新能源汽车培养单位：车辆工程学院论文完成时间：2020年3月25日论文答辩日期：2020年6月8日Category Number:Level of Secrecy:Serial Number:Student Number:52170401123 Master's Dissertation of Chongqing University of TechnologyResearch on Bidirectional Active Equalization of Lithium-ion Battery PackPostgraduate:Li ChenSupervisor:Associate Professor Luo YongProfessorate Senior Engineer Si Hong Lu Degree Category：Professional DegreeSpecialty:Master of Engineering（Vehicle Engineering）Research Direction:New energy vehicleTraining Unit:Institute of vehicle engineeringThesis Deadline:March25,2020Oral Defense Date:June8,2020摘要摘要锂离子动力电池包是电动汽车的核心部件之一，作为动力来源的载体，它由成千上百个单体电池串联或并联组成。
串联的锂离子电池由于加工制造、装车环境和使用过程的影响，会出现容量、电压、内阻等不一致性差异，这种不均衡现象严重影响了动力电池的动力性、安全性和寿命。
高效锂离子电池管理系统及其均衡充电方法
电力电子• Power Electronics224 •电子技术与软件工程 Electronic Technology & Software Engineering锂电池理论上可以将电量完全释放出来，且对电池寿命和性能无影响，此处以设定电池电量为20%时报警为例，报警时剩余电量为264×20%=52.8kWh ，输出功率42kw ，在10‰坡道上以20km/h 速度行驶，加上辅助负载30kW 的情况下，每小时耗电为42+30=72kWh ，则将电池组电量耗完时间T4-=52.8/72=0.73h ，约44min 。
3 磷酸铁锂电池的充、放电性能3.1 充电性能根据电力蓄电池车的实际使用需求，且突出锂电池的充电优势，采用快速充电方案，磷酸铁锂电池先以恒流80A 电流进行充电，充电至852V 时转为恒压充电，以恒压852V 充电至电流下限≤21.6A 时结束充电，在整个充电过程中如果某个单体电池电压≥3.65V 则充电结束。
整个充电时间大约6小时。
充电曲线如图2所示。
3.2 放电性能锂电池较传统的铅酸蓄电池相比放电倍率特性更好，在有效放电区间范围内电压变化小。
不同厂家、不同型号的锂电池放电性能不尽相同，但大体走向曲线趋同，如图3所示。
放电深度均超过90%。
4 磷酸铁锂电池的管理，增加维护相应的管理系统可以完成单体电池电压检测、温度检测、总电流检测、系统的极限保护；同时对相应的电路板电路单元进行硬件故障诊断，执行相关的控制指令；负责对检测的数据进行实时处理，匹配硬件完成信号采集、解析和处理。
同时可配备单独的显示单元用于信息显示，或使用网络通信进行数据通信。
此管理单元的使用，方便蓄电池的检修、维护操作等。
5 结论本文浅析了一种使用在电力蓄电池牵引车上的新能源牵引蓄电池——磷酸铁锂电池，对选用条件、容量、充电和放电等相应能力进行了阐述，并最终选择了400Ah 磷酸铁锂电池。
采用相应的锂电池除以上简述外，其在使用温<<上接223页度范围宽、管理系统更智能化等方面的优点不在赘述。
锂电池bms的均衡算法
锂电池bms的均衡算法
锂电池BMS（电池管理系统）的均衡算法是电池管理中的重要组成部分。
随着电动汽车和可再生能源的快速发展，锂电池作为一种高性能的能量存储设备得到了广泛应用。
然而，由于电池的充放电过程中会产生不可避免的不均衡，电池的性能和寿命可能会受到影响。
因此，BMS的均衡算法就显得尤为重要。
BMS的均衡算法主要用于控制电池组中各个单体电池的电压，使其在充放电过程中保持在一个合理的范围内，以确保电池组的性能和寿命。
常见的均衡算法包括被动均衡和主动均衡两种方式。
被动均衡是指利用电阻或开关等被动元件将电池单体的电压进行放电，以实现电池之间的电压均衡。
这种方式简单可靠，但能效较低，且会产生一定的热量。
而主动均衡则是通过控制电池单体之间的充放电过程，使得电池单体的电压在一定范围内波动，从而实现电压均衡。
主动均衡的方式更加智能高效，但需要更复杂的控制电路和算法。
近年来，随着电动汽车和储能系统的迅猛发展，BMS的均衡算法也在不断演进。
一些新型的均衡算法采用了先进的控制策略和智
能算法，如模型预测控制、模糊逻辑控制、神经网络控制等，以提高均衡效率和减少能耗。
总的来说，随着科技的不断进步，锂电池BMS的均衡算法也在不断完善和创新，以满足电池组在不同应用场景下的需求，为电动汽车和储能系统的发展提供更加可靠和高效的能量管理解决方案。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
锂离子电池组的主动充电平衡法
英飞凌系统工程师Werner 时间：2009-06-25 2235次阅读 【网友评论2条 我
要评论】 收藏
E-Cart是一种可驾驶的车辆，主要用于演示混合动力汽车的电气性能。该车将
采用一组庞大的锂离子电池组提供动力，当时开发人员就意识到对其进行带充电
平衡的电池管理是绝对必要的。这种情况下必须采用在各节电池之间进行主动能
量转移的方式来代替传统的简单充电平衡方案。他们开发的主动充电平衡系统在
材料成本与被动方案相当的情况下能提供更优秀的性能(见图1)。
图1：E-Cart原型。
电池系统架构
镍镉电池与随后出现的镍氢电池多年来一直主宰着电池市场。锂离子电池由于其
性能有极大提高，因此其市场份额增长非常迅速。锂离子电池的储能容量非常惊
人，但即便如此，单个电池单元的容量不论从电压还是从电流方面仍都太低，不
能满足一个混合动力发动机的需要。并联多个电池单元可以增大电池所提供的电
流，串联多个电池单元则可以增大电池提供的电压。 电池组装商通常利用一些
缩略短语来描述其电池产品，例如“3P50S”代表该电池组中有3个并联的电池
单元、50个串联的电池单元。 模块化结构在对包含多个串联电池单元的电池进
行管理时是很理想的结构。例如，在一个3P12S的电池阵列中，每12个电池单
元串联之后就组成了一个模块(block)。然后，这些电池单元就可通过一块以微
控制器为核心的电子电路对其进行管理和平衡。 这样一个电池模块的输出电压
取决于串联电池单元的个数和每个电池单元的电压。锂离子电池单元的电压通常
在3.3V到3.6V之间，因此一个电池模块的电压约在30V到45V之间。
混合动力车的驱动需要450V左右的直流电源电压。为了根据充电状态来补偿电
池单元电压的变化，比较合适的做法是在电池组和发动机之间连接一个DC-DC
转换器。这个转换器还可以限制电池组输出的电流。为确保DC-DC转换器工作在
最佳状态，要求电池组电压在150V到300V之间。因此，需要串联5到8个电池
模块。
平衡的必要性
如果电压超出允许的范围，锂离子电池单元就很容易损坏(见图2)。如果电压超
出了上、下限(以纳米磷酸盐型锂离子电池为例，下限电压为2V，上限电压为
3.6V)，电池就可能出现不可逆转的损坏。其结果至少是加快电池的自放电速度。
电池输出电压在一个很宽的充电状态(SOC)范围内都是稳定的，电压偏离安全范
围的风险很小。但在安全范围的两端，充电曲线的起伏相对比较陡峭。因此，为
预防起见，必须严密监控电压。
图2：锂离子电池的放电特性(钠米磷酸盐型)。
如果电压达到一个临界值，就必需立即停止放电或充电过程。在一个强大的平衡
电路的帮助下，相关电池单元的电压可以返回安全范围内。但为达到这一目的，
该电路必需能在电池组中任何一个单元的电压开始与其他单元出现差异时马上
在各单元之间转移能量。
充电平衡法
1.传统的被动方法：在一般的电池管理系统中，每个电池单元都通过一个开关连
接到一个负载电阻。这种被动电路可以对个别被选中的单元放电。但该方法只适
用于在充电模式下抑制最强电池单元的电压攀升。为限制功耗，此类电路一般只
允许以100mA左右的小电流放电，从而导致充电平衡耗时可高达几小时。
2.主动平衡法：相关资料中有很多种主动平衡法，均需要一个用于转移能量的存
储元件。如果用电容来做存储元件，将其与所有电池单元相连就需要庞大的开关
阵列。更有效的方法是将能量存储在一个磁场中。该电路中的关键元件是一个变
压器。电路原型是由英飞凌的开发小组与VOGT电子元件GmbH公司共同开发的。
其作用是：
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)。
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。
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。
2.顶部平衡法：如果某个电池单元的电压高于其他单元，那么就需要将其中的能
量导出，这在充电模式下尤其必要。如果不进行平衡，充电过程在第一块电池单
元充满之后就不得不立即停止。采用平衡之后则可以通过保持所有电池单元的电
压相等而避免发生过早停止充电的情况。
图5：锂离子电池的顶部充电平衡原理。
图5给出了顶部平衡模式下的能量流动情况。在电压扫描之后，发现电池单元5
是整个电池组中电压最高的单元。此时闭合开关sec5，电流从电池流向变压器。
由于自感的存在，电流随时间线性增大。而由于自感是变压器的一个固有特性，
因此开关的导通时间就决定了能够达到的最大电流值。电池单元中转移出的能量
以磁场的形式得到存储。在开关sec5断开后，必须闭合主开关。此时，变压器
就从储能模式进入了能量输出模式。能量通过巨大的初级线圈送入整个电池组。
顶部平衡法中的电流和时序条件与底部平衡法非常类似，只是顺序和电流的方向
与底部平衡法相反。
平衡功率和电压扫描
按照英飞凌E-Cart中的原型配置，平均平衡电流可达5A，比被动平衡法的电流
高50倍。在5A的平衡电流下，整个模块的功耗仅2W，因此无需专门的冷却措
施，并且进一步改善了系统的能量平衡。
为了管理每个电池单元的充电状态，必须测量它们各自的电压。由于只有单元1
在微控制器的ADC范围内，因此模块中其他单元的电压无法直接测量。一种可能
的方案是采用一组差分放大器阵列，而且它们必须支持整个电池模块的电压。
下文中描述的方法只需增加很少量的额外硬件就能测量所有电池单元的电压。在
该方法中，主要任务是进行充电平衡的变压器同时也被用做一个复用器。
在电压扫描模式中没有使用变压器的回扫模式。当S1到Sn这些开关中有一个闭
合时，与其相连的电池单元的电压就转换到变压器的所有绕组中。
在经过一个离散滤波器的简单预处理之后，被测信号就被送入微控制器的ADC
输入端口。开关S1到Sn中的某个开关闭合时所产生的测量脉冲持续时间可能非
常短，实际导通时间为4us。因此，通过这个脉冲存储至变压器中的能量很少。
而且无论如何在开关断开之后，存储在磁场中的能量都会通过初级晶体管流回整
个电池模块。因此电池模块的能量多少并不受影响。在对所有电池单元进行完一
个周期的扫描之后，系统又回到初始状态。
本文小结
只有拥有一套优秀的电池管理系统才能充分发挥新型锂离子电池所具备的优势。
主动充电平衡系统的性能远远优于传统的被动方法，而相对简单的变压器则有助
于保持较低的材料成本。