電池系統(tǒng)架構(gòu)

　　多年以來，鎳鎘電池和隨后出現(xiàn)的鎳氫電池技術(shù)一直占據(jù)市場主導(dǎo)地位。鋰電池只是最近幾年才進(jìn)入市場。然而，憑借其突出的優(yōu)越性能，其市場份額迅速攀升。鋰電池具有驚人的蓄能容量，但單個(gè)電池的電壓和電流都太低，不足以滿足混合動(dòng)力電機(jī)的需要。為增加電流需將多個(gè)電池并聯(lián)起來，為獲得更高的電壓，則要把多個(gè)電池串聯(lián)起來。

　　電池生產(chǎn)商通常以類似“３ｐ�。担埃蟆弊謽拥目s寫詞來描述電池的排列方式，“３ｐ�。担埃蟆贝�表３個(gè)電池并聯(lián)和５０個(gè)電池串聯(lián)。

　　對(duì)于有多個(gè)電池串聯(lián)而言，模塊化結(jié)構(gòu)是電池管理的理想選擇。例如，將多達(dá)１２個(gè)電池串聯(lián)起來，組成３ｐ�。保玻箨嚵兄械囊粋�(gè)電池塊（ｂｌｏｃｋ）。這些電池的電荷由一個(gè)帶有微處理器的電子電路進(jìn)行管理和平衡。電池塊的輸出電壓由串聯(lián)電池的數(shù)量和電池電壓決定。單個(gè)鋰電池的電壓一般介于３．３～３．６ｖ之間，因此相應(yīng)電池塊的輸出電壓介于３０～４５ｖ之間。

　　混合動(dòng)力汽車驅(qū)動(dòng)需要４５０ｖ左右的直流電源電壓。為了補(bǔ)償因荷電狀態(tài)不同而引起的電池電壓差異，在電池組和電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置之間連接一個(gè)ｄｃ／ｄｃ轉(zhuǎn)換器。該轉(zhuǎn)換器還可限流。

　　為使ｄｃ／ｄｃ轉(zhuǎn)換器達(dá)到最佳工作狀態(tài)，電池組的電壓應(yīng)保持在１５０～３００ｖ之間。為此，需要將５～８個(gè)電池塊串聯(lián)在一起。

　　平衡的必要性

　　一旦電壓超出允許范圍，鋰電池很容易被損壞（見圖１）。如果超出電壓的上限和下限（例如，ｎａｎｏｐｈｏｓｐｈａｔｅ鋰電池的電壓上限和下限分別為３．６ｖ和２ｖ），電池就可能會(huì)受到不可逆的損壞，至少也會(huì)增加電池的自放電率。在相當(dāng)寬的荷電狀態(tài)范圍內(nèi)，輸出電壓可以保持穩(wěn)定，因此正常情況下超出安全范圍的可能性比較小。但是，在接近安全范圍上限和下限的區(qū)域，變化曲線非常陡峭。作為預(yù)防措施，仔細(xì)監(jiān)測電壓水平非常必要。

　　圖１鋰電池（ｎａｎｏｐｈｏｓｐｈａｔｅ型）的放電特性

　　當(dāng)電池電壓接近臨界值時(shí)，必須立即停止放電或充電。平衡電路的功能就是調(diào)節(jié)相應(yīng)電池的電壓，使其保持在安全區(qū)域。為了達(dá)到這個(gè)目的，當(dāng)電池組中任一電池的電壓與其他電池不同時(shí)，就必須將能量在電池之間進(jìn)行轉(zhuǎn)移。

　　電荷平衡

　�。薄�傳統(tǒng)的被動(dòng)平衡方式

　　在常規(guī)電池管理系統(tǒng)中，每個(gè)電池均通過開關(guān)與一個(gè)負(fù)載電阻相連。被動(dòng)式平衡電路可以對(duì)指定電池單獨(dú)放電，但這種方式只能在充電模式下抑制電壓最高的電池的電壓上升。為了限制功耗，一般采用１００ｍａ內(nèi)的小電流，這可能導(dǎo)致需要數(shù)小時(shí)才能完成電荷平衡。

　�。病≈鲃�(dòng)平衡

　　現(xiàn)有文獻(xiàn)資料中介紹了幾種主動(dòng)電荷平衡方法，這些方法利用蓄能元件轉(zhuǎn)移能量。如果采用電容器作為蓄能元件，則需要許多開關(guān)元件將蓄能電容與所有電池連接。相對(duì)而言，采用磁場來存儲(chǔ)能量的效率更高，這種電路的核心器件是變壓器。英飛凌項(xiàng)目組通過與ｖｏｇｔ電子器件有限公司（ｖｏｇｔ�。澹欤澹悖簦颍铮睿椋恪。悖铮恚穑铮睿澹睿簦蟆。纾恚猓瑁┖献鏖_發(fā)出了相應(yīng)的原型，它可以用于：

　　在電池之間轉(zhuǎn)移能量

　　將多個(gè)電池電壓復(fù)用，作為基于地電壓的模數(shù)轉(zhuǎn)換輸入

　　其構(gòu)造原理是使用反激轉(zhuǎn)換器（ｆｌｙｂａｃｋ�。悖铮睿觯澹颍簦澹颍�。這種變壓器以磁場存儲(chǔ)能量，在磁芯中有一個(gè)空隙，以提高磁阻，避免磁芯材料磁飽和。

　　變壓器有兩個(gè)不同的繞組：

　　主繞組與電池組相連

　　次繞組與電池相連

　　圖２　電池管理模塊主電路

　　可行的變壓器模型可支持１２個(gè)電池。其限制因素是可能連接數(shù)量。　本文所述的變壓器原型有２８個(gè)引腳。

　　開關(guān)采用ｏｐｔｉｍｏｓ�。诚盗兄械模恚铮螅妫澹簦�它們具有極低的導(dǎo)通電阻，所產(chǎn)生的傳導(dǎo)損耗可以忽略不計(jì)。

　　每個(gè)電池塊由英飛凌的８位微控制器ｘｃ８８６ｃｌｍ控制，該控制器具有閃存和３２ｋｂ的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；兩個(gè)硬件ｃａｎ接口支持采用普通汽車控制器局域網(wǎng)（ｃａｎ）總線協(xié)議進(jìn)行通信，降低了處理器的負(fù)荷；硬件乘除算法單元（ｍｄｕ）提高了運(yùn)算速度。

　　平衡方式

　　由于變壓器可以雙向使用，我們可以根據(jù)情況采用兩種不同的平衡方式�？刂齐娐肥紫戎饌�(gè)檢測所有電池的電壓，計(jì)算出平均值，然后找出電壓與平均值偏差最大的電池。如果該電池的電壓低于平均值，則采用下限平衡（ｂｏｔｔｏｍ－ｂａｌａｎｃｉｎｇ）方法；如果高于平均電壓，則使用上限平衡（ｔｏｐ－ｂａｌａｎｃｉｎｇ）方法。

　　１　下限平衡

　　圖３顯示了需要采用下限平衡方法的情形，其中２號(hào)電池被確認(rèn)