电池平衡技术的说明及使用方法

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  的额定电压仅为4.2V把握,但正在诸如EV,便携式电子产物,条记本电脑,挪动电源等利用中,咱们须要比标称电压高许众的电压。这便是为什么计划职员将众个以上的电池串联组合以酿成更高电压值的电池组的出处。从上一篇《电动汽车电池》作品中咱们分明,当电池串联组适时,电压值会相加。比如,当四个4.2V的锂电池串联时,所得电池组的有用输出电压将为16.8V。

  可能设思串联结合很众单位就像将很众马装置正在战车上相似。只要当整个马匹都以沟通的速率运转时,战车才会以最大的成果被驱动。正在四匹马中,即使一匹马跑得慢,那么其他三匹马也务必消浸速率,从而消浸成果,即使一匹马跑得疾,最终会由于拉其他三匹马的掌管而侵犯本人。好似地,当四个电池串联结合时,整个四个电池的电压值应相当,以最大成果导出电池组。连结整个电池电压相当的举措称为电池平均。正在本文中,咱们将研习相闭电池平均的更众新闻,并扼要先容奈何正在硬件和软件级别操纵它们。

  电池平均是一种将每私人的电压秤谌都降低到最低的技巧串联结合以酿成电池组的电池应连结相当,以达成电池组的最大成果。当将分歧的电池组合正在沿途以酿成电池组时,请永远确保它们具有沟通的化学本质和电压值。然而一朝装置好电池组并对其实行充电和放电,因为某些出处咱们将正在后面磋议这些电池单位的电压值趋于变更。电压秤谌的这种变更会导致电池单位失衡,从而导致以下题目之一

  最倒霉的事件大概发作的是热失控。一目了然,锂电池对太甚充电和太甚放电极度敏锐。正在四个电池的电池组中,即使一个电池为3.5V,而另一个电池为3.2V,则因为整个电池串联,电荷将对整个电池沿途充电,而且因为其他电池仍正在充电,是以会将3.5V电池充电至高于提议的电压须要充电。

  当锂电池太甚充电时,乃至略高于锂电池提议值会消浸电池的成果和人命周期。比如,充电电压从4.2V略微弥补到4.25V,会使电池降级30%。是以,即使电池电量平均不无误,则尽管稍微太甚充电也会缩短电池寿命。

  电池组中的电池变旧时,大概没有几个电池比它的相邻电池更弱。这些礼拜的细胞将是一个壮大的题目,由于它们将比寻常的强健细胞更疾地充电和放电。用串联电池为电池组充电时,尽管一个电池抵达最大电压,也应搁浅充电历程。云云,即使电池组中的两个电池充满电,它们将更疾地充电,是以残余的电池将不会被最大充电,如下所示。

  好似,正在电池组放电时,较弱的电池将比强健电池放电更疾电池,它们将比其他电池更疾地抵达最小电压。正如咱们正在BMS作品中领悟到的,尽管一个电池抵达最低电压,电池组也会与负载断开结合。这导致了电池组能量的未操纵容量,如下所示。

  思量到上述整个大概的错误,咱们可能得出结论,要使电池组阐述最大成果,务必实行电池平均。如故有少数利用圭外的初始本钱该当极度低,而且正在那些利用圭外中可能避免电池更调不是题目,可能避免电池平均。然而正在搜罗电动汽车正在内的大家半利用中,务必通过电池平均来从电池组中获取最大汁液。

  现正在咱们分明为什么连结电池组中整个电池平均的要紧性了。然而要确切办理这个题目,咱们该当分明为什么第一手的单位会变得不服均。如前所述,当通过串联就寝电池酿成电池组时,请确保整个电池处于沟通的电压秤谌。是以,新电池组将永远具有平均的电池单位。然而,因为以下出处,电池组进入操纵后,电池会变得不服均。

  丈量电池的SOC很繁杂;是以,丈量电池中单个电池的SOC极度繁杂。理思的电池平均技巧应立室沟通SOC而不是沟通电压(OCV)电平的电池。然而,因为现实上不大概正在制制电池组时仅依照电压对电池实行立室,是以SOC的变更大概会导致OCV正在合意的时分发作变更。

  很难找到具有沟通内部电阻(IR)的电池,而且跟着电池寿命的拉长,电池的IR也会发作变更,是以正在电池组中并非整个电池都单位将具有沟通的IR。一目了然,IR会影响电池的内部阻抗,从而裁夺流过电池的电流。因为IR变更,流过电池的电流及其电压也会变更。

  充放电容量电池的温度还取决于其方圆的温度。正在像电动汽车或太阳能电池阵列云云的大型电池组中,电池单位分散正在糟蹋的区域,电池组之间大概存正在温度分歧,导致一个电池单位的充电或放电速率比其余电池单位疾,从而导致电池失衡。

  基于上述出处,很分明,咱们不行提防电池正在操作历程中变得不服均。是以,独一的办理计划是操纵一个外部体系,该体系会正在电池不服均后强制其再次抵达平均。该体系称为电池平均体系。有很众分歧类型的硬件和软件技巧可用于电池电量平均。让咱们磋议一下类型和普通操纵的技巧。

  被动单位平均是最方便的举措。它可能正在本钱和尺寸是要紧控制的地方操纵。以下是两品种型的被动电池电量平均。

  正在这种举措中,虚拟负载就像电阻器相似用来开释众余的电压并使它与其他电池平衡。这些电阻器称为旁途电阻器或泄放电阻器。电池组中串联的每个电池都将通过开闭结合其本人的旁途电阻,如下所示。

  上面的示例电途显示了四个单位,每个单位通过诸如MOSFET之类的开闭结合到两个旁途电阻。 统制器丈量整个四个电池的电压,并为电压高于其他电池的电池掀开mosfet 。当mosfet掀开时,该特定电池初阶通过电阻放电。因为咱们分明电阻器的值,是以咱们可能预测电池正正在耗费众少电荷。与电池并联结合的电容器用于过滤开闭时刻的电压尖峰。

  此举措成果不高,由于电阻中的热量会耗散电能,而且电途也会思量开闭损耗。另一个错误是,全体放电电流流经mosfet,而mosfet要紧内置正在统制器IC中,是以务必将放电电流控制正在较低的值,这会弥补放电韶华。克制此错误的一种举措是操纵外部开闭弥补放电电流,如下所示

  内部P沟道MOSFET将由统制器触发,从而导致电池通过电阻R1和R2放电(I偏置)。选拔R2的值,使得因为放电电流(I-bias)的活动而正在其两头爆发的电压降足以触发第二个N沟道MOSFET。此电压称为栅极源极电压(Vgs),偏置MOSFET所需的电流称为偏置电流(I-bias)。

  一朝N沟道MOSFET电流掀开后,电流流过平均电阻 R-Bal 。该电阻的值可能很低,以许诺更众的电畅达过,从而使电池放电更疾。该电流称为漏极电流(I漏极)。正在该电途中,总放电电流是漏极电流和偏置电流的总和。当统制器紧闭P沟道MOSFET时,偏置电流为零,是以电压Vgs也变为零。云云会紧闭N沟道MOSFET,使电池再次复原理思状况。

  尽管被动平均技巧成果不高,因为这种方便性和低本钱,是以更为常用。除了计划硬件,您还可能操纵分手来自线性创筑商和德州仪器的出名创筑商的LTC6804和BQ77PL900等现成的IC。这些IC可能级联以看守众个单位并减省开垦韶华和本钱。

  电荷控制举措是整个举措中成果最低的举措。正在此,仅思量电池的安然性和操纵寿命,而放弃了成果。正在这种举措中,各个电池单位的电压将取得一连监控。

  正在充电历程中,尽管一个电池单位抵达了满充电电压,充电也会搁浅,而其他电池单位将搁浅充电。同样,正在放电历程中,尽管一个电池抵达最小截止电压,电池组也会与负载断开结合,直到电池组再次充电。

  这种举措成果低下,但消浸了本钱和尺寸请求。是以,它可用于通常为电池充电的利用。

  正在被动单位平均中,众余的电荷没有被应用,是以被以为是无效的。正在主动平均的状况下,一个单位的众余电荷会挪动到另一个低电荷的单位,以使其平衡。这是通过应用电荷存储元件(如电容器和电感器)来达成的。实行主动电池平均的举措有许众,让咱们磋议一下常用的举措。

  该举措应用电容器将电荷从高压电池挪动到低压电池。电容器通过SPDT开闭结合,最初,开闭将电容器结合到高压电池,一朝电容器被充电,开闭将其结合到低压电池,低压电容器中的电荷流入电池。因为电荷正在电池之间穿梭,是以该举措称为电荷穿梭。下图该当可能助助您更好地分析。

  这些电容器称为飞跨电容器由于正在载有充电器的低压电池和高压电池之间飞翔。该举措的错误是电荷只可正在相邻电池之间挪动。其它,因为电容器务必充电然后放电以挪动电荷,是以花费更众韶华。因为电容器的充电和放电时刻会耗费能量而且还务必思量开闭损耗,是以成果也极度低。 下图显示了奈何将敏捷电容器结合到电池组中

  有源电池平均的另一种举措是操纵电感器和开闭电途。正在这种举措中,开闭电途由降压升压转换器构成。来自高压电池的电荷被泵入电感器,然后通过操纵降压升压转换器放电到低压电池中。下图吐露一个只要两个单位和一个降压升压转换器的电感式转换器。

  正在上述电途中,电荷可能通过以以下方法切换MOSFET sw1和sw2,可能将其从单位1挪动到单位2。起初,开闭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。电感器充满电后,开闭SW1掀开,开闭sw2闭合。

  现正在,充满电的电感器将反转其极性并初阶放电。这回,来自电感器的电荷通过电流I放电流入单位2。电感器齐全放电后,开闭sw2掀开,开闭sw1闭合以反复该历程。下面的波形将助助您得回懂得的图像。

  正在韶华t0时刻,开闭sw1闭合(掀开)导致电流I charge增大,电感(VL)两头的电压增大。然后,一朝电感器正在韶华t1充满电,开闭sw1就会掀开(断开),这会使电感器开释正在上一步中堆集的电荷。当电感器放电时,其极性改观,是以电压VL显示为负。放电时,放电电流(I放电)从最大值减小。整个这些电流进入电池2实行充电。从韶华t2到t3许诺一个很小的间隔,然后正在t3处再次反复全体轮回。

  该举措还存正在一个要紧错误,即电荷只可从较高的电池传输到较低的电池。还应试虑开闭损耗和二极管压降。但这比电容器举措更疾,更有用。

  降压/升压转换器举措只可将电荷从较高的单位挪动到较低的单位。通过操纵反激转换器和变压器可能避免此题目。正在反激式转换器中,绕组的低级侧结合到电池组,次级侧结合到电池组的每个独立的电池,如下所示

  咱们分明电池操纵直流电运转,直到切换电压,变压器才起功用。是以,为了初阶充电历程,切换了低级线圈侧Sp上的开闭。云云便将DC转换为脉冲DC,并激活了变压器的低级侧。

  现正在,正在次级侧,每个单位都有本人的开闭和次级线圈。通过切换低压电池的mosfet,咱们可能使特定的线圈充任变压器的次级线圈。云云,来自低级线圈的电荷被挪动到次级线圈。这会导致全体电池组电压放电到弱电池中。

  此举措的最大益处是,可能很容易地从电池组电压为电池组中的任何弱电池充电而不是特定的电池正正在放电。然而因为个中包罗一个变压器,以是它占用的空间很大,电途的繁杂性也很高。

  无损平均是比来开垦的一种举措,可通过删除硬件组件和供给更众软件统制来删除耗费。这也使体系更方便,更易于计划。该举措操纵矩阵开闭电途,该电途供给了正在充电和放电历程中从电池组中增添或移除电池的功效。下面显示了一个用于8个电池的方便矩阵切换电途。

  正在充电历程中,高电压电池将操纵开闭安装将其从包装中取出。正在上图中,通过操纵开闭将电池5从电池组中取出。将红线圆视为断开开闭,将蓝线圆视为闭合开闭。是以,较弱的电池的静止韶华正在充电历程中弥补,以便正在充电时刻使它们平均。然而务必相应地调度充电电压。放电时刻也可能效力沟通的技巧。

  最终举措不是硬件计划职员而是化学工程师。正在铅酸电池中,咱们没有电池平均的题目,由于当铅酸电池太甚充电时,会惹起放气,从而提防其太甚充电。氧化还原穿梭背后的思法是通过改观锂电池电解质的化学本质,考试对锂电池达成沟通的后果。这种点缀的电解质应提防电池太甚充电。

  有用的电池平均技巧应连合操纵硬件操纵合意的算法。电池单位平均的算法许众,这取决于硬件计划。然而类型可能归结为两个分歧的个别。

  最方便且最常用的举措。正在此,对每个电池丈量开途电池电压,而且电池平均电途用于平衡串联结合的整个电池的电压值。丈量OCV(开途电压)很方便,是以该算法的繁杂性更低。

  正在这种举措中,电池的SOC是平均的。一目了然,丈量电池的SOC是一项繁杂的职责,由于咱们务必思量一段韶华内电池的电压和电流值,本事企图出SOC的值。该算法很繁杂,并用于请求高成果和安然性的地方,比如正在航空航天工业中。