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主動均衡技術概述及 福芯電子主動均衡技術介紹
發布時間:2023-07-05 14:51:23
一、技術發展背景
       伴隨著“碳達峰,碳中和”的總戰略,新能源與芯片成為我國創新領域的兩個主要賽道,發展新能源及能源電子產業對改變大國格局具有重要戰略意義。鋰離子電池由于具有高能量與功率密度、自放電率低、長壽命、無污染、無記憶性等優勢,近幾年被作為蓄電池廣泛應用。
       因單節蓄電池電壓較低,為了滿足應用場景越發需要高電壓、大容量的需求,電池單體常常以串、并聯的形式成組使用。然而,各電池單體在制造以及運行過程中存在不可避免的差異。在制造過程中,由于電池的制作工藝問題和使用材質的不均勻,電池的初始容量、電池內阻、自放電率等性能指標存在差異。在運行過程中,一方面,隨著電池服役時間的增長,這種初始差異被不斷累積放大;另一方面,電池工作溫度等運行工況差異會導致電池性能以不同速率衰退,從而加劇電池組的不一致性,由此產生“木桶效應”,即電池單體的過充或過放導致整個電池組的性能逐漸降低,最終縮短電池組使用壽命,甚至造成電池變形、爆炸等安全隱患。
       “亞洲電動汽車之父”陳清泉院士就曾說過“沒有電池管理的電池包就是一枚炸彈”。為解決電池組不一致性問題,電池均衡技術應運而生。電池均衡的本質是減小電池組各電池單體能量的差異,從而使電池組保持較高的一致性。該技術作為電池管理系統(battery management system,BMS)的關鍵一環,在預防電池過充過放、保證電池組可用容量及其安全運行、延長使用壽命、優化使用方案、節約成本等方面具有重要的意義。

二、均衡技術介紹
       均衡技術可以分為被動均衡和主動均衡兩大類。被動均衡的原理是使用電阻將電量高的電池中的能量變成熱能消耗掉,從而達到單體電池之間電量保持一致的目的。主動均衡的原理是通過能量轉移方式實現的均衡,根據能量轉移的方式不同可再細分為電容均衡、電感均衡、變壓器均衡、DC/DC均衡等。如圖1所示。


(一)被動均衡簡介
       被動均衡是一種能量耗散式均衡,工作原理是在每節電芯上并聯一個電阻,通過電阻放電把多余的能量耗散掉從而達到均衡,如圖2所示。優點是結構簡單,布局成本低;缺點是能量使用效率低,且熱耗散會影響電路穩定性,為避免熱耗散使得均衡電流小對大容量電池組如隔靴搔癢,被動均衡的電流一般都在百毫安(100mA)級別。
       被動均衡雖然均衡電流不大,且電路熱效應顯著,但其設計簡單、成本低廉、電路體積小且控制容易,是現代工業中最受歡迎的均衡形式。同時因為集成方便,所以芯片公司也更樂意進行相關芯片設計,例如Linear公司推出的LTC680X系列、TI公司生產的BQ系列芯片、O2Micro公司提出的OZ890x系列。除了電動汽車外,我國電動自行車閥控鉛酸蓄電池組也應用了被動均衡技術,但被動均衡效果甚微,電池組的循環壽命短仍是阻礙自行車行業發展的絆腳石。


(二)主動均衡簡介

       主動均衡是一種非能量耗散式均衡,其原理為通過電容或電感等儲能元件的方式將能量高的電芯內的能量轉移到能量低的電芯中去。優點是能量損耗較小,散熱低,效率高;缺點是成本高、拓撲結構復雜,而且電容和電感的體積大會導致空間需求大等無法完全集成進專用IC,復雜的結構導致成本與故障率上升。



1.基于電容的均衡
       基于電容的電池均衡主要利用電容的儲能特性,以電容為能量轉移載體,根據電壓差調整開關選通從而實現電池之間的能量流動。該均衡方法具有一致性較好、可靠性高、易于實現的優點,但其根據電壓差實現均衡的特性也造成一定的局限性,整體均衡速度和均衡效率都不高,不適用于長電池串均衡,僅適用于對均衡速度和精度要求不高的場合。


2.基于電感的均衡
       基于電感的電池均衡主要利用電感電流不能突變的特性,以電感為能量轉移載體,實現電池之間的能量轉移。由于電感均衡的能量以電流形式轉移,即使相鄰單體電池間的電壓差值比較小,也能夠實現均衡,因此更適用于電壓平臺寬且在充放電始末端變化快的電池體系。與電容類似,由于該結構的均衡速度和效率隨著電池數量增加而下降,因此同樣不適合長電池串均衡。只適合在串聯電池數量較少且對均衡速度要求不高的場合。


3.基于變壓器的均衡
       基于變壓器的電池均衡屬于隔離型均衡,它以變壓器為能量轉移載體,將電池組或電池單體的部分能量儲存在繞組中,并通過互感傳遞到另一個繞組,最后通過開關將能量傳遞到需要均衡的電池組或電池單體中。該均衡方法的優點是均衡速度快、均衡效率高,缺點是不易擴展、次級繞組數量多、變壓器設計困難、維修成本高,一般適用于中等長度的串聯電池組。但隨著串聯電池數量增加,變壓器線圈的繞制越來越復雜,大大增加了電路的成本和體積。
       根據變壓器種類,基于變壓器的均衡可分為單繞組變壓器、同軸多繞組變壓器和多重變壓器結構,如圖6所示。


4.基于變換器的均衡
       利用DC/DC變流電路實現均衡的方法稱為基于變換器的電池均衡,它同樣是以電容、電感或變壓器作為能量儲能元件。該類均衡拓撲性能好且集成度高,但目前該結構還存在設計較為復雜且應用成本較高等問題。根據DC/DC變流電路的特點,基于變換器的均衡可分為非隔離型電路結構和隔離型電路結構。常用的非隔離DC/DC變換電路主要分為Cuk電路、Boost電路、BuckBoost電路,如圖7所示。該結構僅能實現相鄰電池間能量轉移,當其應用在大規模電池組中時,長距離的均衡過程導致電池組均衡速度及均衡效率不理想。此外,Cuk電路使用元器件較多,因此成本偏高。


三、福芯主動均衡技術
       福芯電子自2018年開始投入大量研發在主動均衡技術方面進行開發。與相關高校與科研機構進行合作,經多年研發積累以及在芯片應用領域的優勢,推出“變壓器逆變式的主動均衡方案”。
(一)原理簡介
       本方案基于前述“基于變壓器的均衡拓撲”,為在低復雜度的情況下實現快速均衡和高均衡效率,提出了一種利用多繞組變壓器逆變式的雙向有源均衡方法,如圖8所示。該方案允許能量通過正激或反激變換直接從最高能量電池傳輸到最低能量電池,為能量轉移提供了一個較短的路徑,通過多路同步均衡從而保證了高效的均衡速度。


(二)核心技術及優勢
        福芯主動均衡模組采用“變壓器逆變式的主動均衡方案”“主動均衡電路系統的專用ASIC技術”等核心技術,將大部分控制電路集成在專用IC內部使得外圍電路精簡,同時定制化設計了專用MOS管可對返峰電流進行吸收,在縮小空間的同時也能降低成本并提升了均衡性能。且經過多年的不斷研發、探索、創新以及大量的客戶反饋積累寶貴的“Know How”建立獨有的核心優勢。
       本方案在有效解決電池單體均衡等問題的同時,能確保電能系統正常工作,滿足其“安全性、持久性和可靠性”的需求。在達到均衡開啟條件時,電池組中所有高電壓電池會同步向所有低電壓電池進行能量轉移實現電池組內電壓平衡。
本方案均衡模組系統特點:
1)不同基質電芯的批量均衡數據每串電池壓差可控制在20mv以內;
2)在充電/放電/靜止狀態檢測到電池壓差大于80mv時自動啟動均衡工作;
3)最大均衡電流可達5A,電池間壓差越大均衡電流越大;
4)具備溫度保護、過流保護、欠壓保護、自動休眠功能;
5)均衡效率可達97%;
6)體積小巧且散熱好,能隨電池包使用。

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