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主动均衡技术概述及 福芯电子主动均衡技术介绍
发布时间:2023-07-05 14:51:23
一、技术发展背景
       伴随着“碳达峰,碳中和”的总战略,新能源与芯片成为我国创新领域的两个主要赛道,发展新能源及能源电子产业对改变大国格局具有重要战略意义。锂离子电池由于具有高能量与功率密度、自放电率低、长寿命、无污染、无记忆性等优势,近几年被作为蓄电池广泛应用。
       因单节蓄电池电压较低,为了满足应用场景越发需要高电压、大容量的需求,电池单体常常以串、并联的形式成组使用。然而,各电池单体在制造以及运行过程中存在不可避免的差异。在制造过程中,由于电池的制作工艺问题和使用材质的不均匀,电池的初始容量、电池内阻、自放电率等性能指标存在差异。在运行过程中,一方面,随着电池服役时间的增长,这种初始差异被不断累积放大;另一方面,电池工作温度等运行工况差异会导致电池性能以不同速率衰退,从而加剧电池组的不一致性,由此产生“木桶效应”,即电池单体的过充或过放导致整个电池组的性能逐渐降低,最终缩短电池组使用寿命,甚至造成电池变形、爆炸等安全隐患。
       “亚洲电动汽车之父”陈清泉院士就曾说过“没有电池管理的电池包就是一枚炸弹”。为解决电池组不一致性问题,电池均衡技术应运而生。电池均衡的本质是减小电池组各电池单体能量的差异,从而使电池组保持较高的一致性。该技术作为电池管理系统(battery management system,BMS)的关键一环,在预防电池过充过放、保证电池组可用容量及其安全运行、延长使用寿命、优化使用方案、节约成本等方面具有重要的意义。

二、均衡技术介绍
       均衡技术可以分为被动均衡和主动均衡两大类。被动均衡的原理是使用电阻将电量高的电池中的能量变成热能消耗掉,从而达到单体电池之间电量保持一致的目的。主动均衡的原理是通过能量转移方式实现的均衡,根据能量转移的方式不同可再细分为电容均衡、电感均衡、变压器均衡、DC/DC均衡等。如图1所示。


(一)被动均衡简介
       被动均衡是一种能量耗散式均衡,工作原理是在每节电芯上并联一个电阻,通过电阻放电把多余的能量耗散掉从而达到均衡,如图2所示。优点是结构简单,布局成本低;缺点是能量使用效率低,且热耗散会影响电路稳定性,为避免热耗散使得均衡电流小对大容量电池组如隔靴搔痒,被动均衡的电流一般都在百毫安(100mA)级别。
       被动均衡虽然均衡电流不大,且电路热效应显著,但其设计简单、成本低廉、电路体积小且控制容易,是现代工业中最受欢迎的均衡形式。同时因为集成方便,所以芯片公司也更乐意进行相关芯片设计,例如Linear公司推出的LTC680X系列、TI公司生产的BQ系列芯片、O2Micro公司提出的OZ890x系列。除了电动汽车外,我国电动自行车阀控铅酸蓄电池组也应用了被动均衡技术,但被动均衡效果甚微,电池组的循环寿命短仍是阻碍自行车行业发展的绊脚石。


(二)主动均衡简介

       主动均衡是一种非能量耗散式均衡,其原理为通过电容或电感等储能元件的方式将能量高的电芯内的能量转移到能量低的电芯中去。优点是能量损耗较小,散热低,效率高;缺点是成本高、拓扑结构复杂,而且电容和电感的体积大会导致空间需求大等无法完全集成进专用IC,复杂的结构导致成本与故障率上升。



1.基于电容的均衡
       基于电容的电池均衡主要利用电容的储能特性,以电容为能量转移载体,根据电压差调整开关选通从而实现电池之间的能量流动。该均衡方法具有一致性较好、可靠性高、易于实现的优点,但其根据电压差实现均衡的特性也造成一定的局限性,整体均衡速度和均衡效率都不高,不适用于长电池串均衡,仅适用于对均衡速度和精度要求不高的场合。


2.基于电感的均衡
       基于电感的电池均衡主要利用电感电流不能突变的特性,以电感为能量转移载体,实现电池之间的能量转移。由于电感均衡的能量以电流形式转移,即使相邻单体电池间的电压差值比较小,也能够实现均衡,因此更适用于电压平台宽且在充放电始末端变化快的电池体系。与电容类似,由于该结构的均衡速度和效率随着电池数量增加而下降,因此同样不适合长电池串均衡。只适合在串联电池数量较少且对均衡速度要求不高的场合。


3.基于变压器的均衡
       基于变压器的电池均衡属于隔离型均衡,它以变压器为能量转移载体,将电池组或电池单体的部分能量储存在绕组中,并通过互感传递到另一个绕组,最后通过开关将能量传递到需要均衡的电池组或电池单体中。该均衡方法的优点是均衡速度快、均衡效率高,缺点是不易扩展、次级绕组数量多、变压器设计困难、维修成本高,一般适用于中等长度的串联电池组。但随着串联电池数量增加,变压器线圈的绕制越来越复杂,大大增加了电路的成本和体积。
       根据变压器种类,基于变压器的均衡可分为单绕组变压器、同轴多绕组变压器和多重变压器结构,如图6所示。


4.基于变换器的均衡
       利用DC/DC变流电路实现均衡的方法称为基于变换器的电池均衡,它同样是以电容、电感或变压器作为能量储能元件。该类均衡拓扑性能好且集成度高,但目前该结构还存在设计较为复杂且应用成本较高等问题。根据DC/DC变流电路的特点,基于变换器的均衡可分为非隔离型电路结构和隔离型电路结构。常用的非隔离DC/DC变换电路主要分为Cuk电路、Boost电路、BuckBoost电路,如图7所示。该结构仅能实现相邻电池间能量转移,当其应用在大规模电池组中时,长距离的均衡过程导致电池组均衡速度及均衡效率不理想。此外,Cuk电路使用元器件较多,因此成本偏高。


三、福芯主动均衡技术
       福芯电子自2018年开始投入大量研发在主动均衡技术方面进行开发。与相关高校与科研机构进行合作,经多年研发积累以及在芯片应用领域的优势,推出“变压器逆变式的主动均衡方案”。
(一)原理简介
       本方案基于前述“基于变压器的均衡拓扑”,为在低复杂度的情况下实现快速均衡和高均衡效率,提出了一种利用多绕组变压器逆变式的双向有源均衡方法,如图8所示。该方案允许能量通过正激或反激变换直接从最高能量电池传输到最低能量电池,为能量转移提供了一个较短的路径,通过多路同步均衡从而保证了高效的均衡速度。


(二)核心技术及优势
        福芯主动均衡模组采用“变压器逆变式的主动均衡方案”“主动均衡电路系统的专用ASIC技术”等核心技术,将大部分控制电路集成在专用IC内部使得外围电路精简,同时定制化设计了专用MOS管可对返峰电流进行吸收,在缩小空间的同时也能降低成本并提升了均衡性能。且经过多年的不断研发、探索、创新以及大量的客户反馈积累宝贵的“Know How”建立独有的核心优势。
       本方案在有效解决电池单体均衡等问题的同时,能确保电能系统正常工作,满足其“安全性、持久性和可靠性”的需求。在达到均衡开启条件时,电池组中所有高电压电池会同步向所有低电压电池进行能量转移实现电池组内电压平衡。
本方案均衡模组系统特点:
1)不同基质电芯的批量均衡数据每串电池压差可控制在20mv以内;
2)在充电/放电/静止状态检测到电池压差大于80mv时自动启动均衡工作;
3)最大均衡电流可达5A,电池间压差越大均衡电流越大;
4)具备温度保护、过流保护、欠压保护、自动休眠功能;
5)均衡效率可达97%;
6)体积小巧且散热好,能随电池包使用。

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