蓄電池容量均衡方法概述
引言
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/177553.htm在由蓄電池作為儲(chǔ)能單元的系統(tǒng)中,由于蓄電池單體往往容量比較低,不能夠滿足大容量系統(tǒng)的要求,因此需要將蓄電池單體串聯(lián),形成蓄電池組以提高供電電壓和存儲(chǔ)容量,例如在電動(dòng)汽車、微電網(wǎng)系統(tǒng)等領(lǐng)域大多需要蓄電池串聯(lián)。由于蓄電池單體自身制作工藝等原因,不同單體之間諸如電解液密度、電極等效電阻等都存在著差異,這些差異導(dǎo)致即便串聯(lián)蓄電池組每個(gè)單體的充放電電流相同,也會(huì)使每個(gè)單體的容量產(chǎn)生不同,進(jìn)而影響整個(gè)蓄電池組的工作。最壞的情況,在一個(gè)蓄電池組中,有一個(gè)單體的剩余容量接近為100%,另一個(gè)單體的剩余容量為0,則這個(gè)蓄電池組既不能充電也不能放電,完全不能使用。因此對蓄電池容量的均衡是非常重要的,尤其是在大量蓄電池單體串聯(lián)的情況。
蓄電池容量均衡的方法主要有電阻消耗均衡法、開關(guān)電容法、雙向DC-DC 變流器法、多繞組變壓器法、多模塊開關(guān)均衡法、開關(guān)電感法等。
1.電阻消耗均衡法
電阻消耗均衡法是通過與電池單體連接的電阻,將高于其他單體的能量釋放,以達(dá)到各單體的均衡,如圖1 所示。每個(gè)蓄電池單體通過一個(gè)三極管與一個(gè)電阻連接,通過控制三極管的導(dǎo)通與關(guān)斷實(shí)現(xiàn)蓄電池單體對電阻的放電。該種結(jié)構(gòu)控制簡單,放電速度快,可多個(gè)單體同時(shí)放電。但缺點(diǎn)也很明顯,能量消耗大,只能對單體進(jìn)行放電不能充電,而且其他蓄電池單體要以最低的單體為標(biāo)準(zhǔn)才能實(shí)現(xiàn)均衡,效率低。
圖1 電阻消耗均衡法結(jié)構(gòu)圖
2.開關(guān)電容法
開關(guān)電容法是在每兩個(gè)相鄰的蓄電池之間通過開關(guān)器件與一個(gè)電容并聯(lián),如圖2 所示。通過控制開關(guān)器件驅(qū)動(dòng)信號(hào)PWM 的占空比實(shí)現(xiàn)相鄰兩個(gè)電池之間能量的傳遞。例如若蓄電池單體容量B1 高于B2,G1 開通G2 關(guān)斷時(shí),電容C1 和電池單體B1 并聯(lián),B1 將能量傳遞給C1;G1 關(guān)斷G2 開通時(shí),電容C1和電池單體B2 并聯(lián),C1 將能量傳遞給B2,完成這個(gè)周期內(nèi)的能量傳遞。以此類推,通過控制開關(guān)器件的開通與關(guān)斷,利用電容實(shí)現(xiàn)能量的逐個(gè)傳遞。
圖2 開關(guān)電容均衡法結(jié)構(gòu)圖
該電路可以等效成如圖3 所示電路,在每兩個(gè)電池單體之間連接一個(gè)等效電阻,可以推出如等式淵1冤給出的等效阻值。這種方法由于能量逐個(gè)傳遞,因此均衡時(shí)間較長,可以根據(jù)等式淵1冤,通過改變開關(guān)器件的開關(guān)頻率和電容容值的方法調(diào)節(jié)等效電阻,改變充放電電流。
圖3 開關(guān)電容法等效電路
式中:f 為開關(guān)頻率;t=RC;D為占空比。
開關(guān)電容法控制簡單,可實(shí)現(xiàn)充電和放電均衡,但由于是逐級傳遞能量,因此均衡速度較慢。
3.雙向DC-DC變流器法
該方法每個(gè)蓄電池單體都連接一個(gè)雙向DCDC變流器后再串聯(lián),如圖4 所示。由于蓄電池單體電壓等級比較低,一般情況下將蓄電池單體作為低壓側(cè)。在給蓄電池組充電時(shí),根據(jù)圖5 的控制策略,可以實(shí)現(xiàn)對每個(gè)蓄電池單體的恒壓充電,如果將該控制策略的電壓外環(huán)打開,可以根據(jù)均衡的需要進(jìn)行恒流充放電控制。在放電時(shí),如果連接負(fù)載較重,有些雙向DC-DC 變流器的電感可能工作在斷續(xù)狀態(tài)。
圖4 雙向DC-DC 變流器法結(jié)構(gòu)圖
圖5 蓄電池單體恒壓充電控制框圖
這種均衡方法可以同時(shí)對所有電池單體進(jìn)行充放電,并針對不同電池單體的容量情況控制充放電電流。此方法控制靈活,充放電均衡時(shí)間短。但由于每個(gè)蓄電池單體都需要一個(gè)雙向DC-DC 變流器,因此成本較高。
4.多繞組變壓器均衡法
多繞組變壓器法是將每個(gè)蓄電池單體連接到變壓器的一個(gè)副邊,如圖6 所示。在對蓄電池組進(jìn)行電壓均衡時(shí),控制變壓器副邊電壓首先高于最低的一個(gè)蓄電池單體,此時(shí)這個(gè)單體電路中的二極管導(dǎo)通,其他單體連接的二極管由于承受反壓關(guān)斷,僅給電壓最低的蓄電池單體充電,等到這個(gè)單體充至倒數(shù)第二高時(shí),再提高副邊電壓,給最低的兩個(gè)單體充電,照這種方法持續(xù)下去,充電電壓如圖7所示。
圖6 多繞組變壓器法結(jié)構(gòu)圖
圖7 變壓器副邊充電電壓波形圖
這種充電方式的多繞組變壓器設(shè)計(jì)復(fù)雜,而且價(jià)格較貴,需要根據(jù)不同的蓄電池單體數(shù)量改變繞組個(gè)數(shù),不易于蓄電池組的擴(kuò)展曰僅能通過給蓄電池單體充電的方式實(shí)現(xiàn)均衡。
多模塊開關(guān)選擇均衡法 #e#
5.多模塊開關(guān)選擇均衡法
該種方法的結(jié)構(gòu)如圖8 所示,由于串聯(lián)蓄電池單體數(shù)量較多,可以將這些單體分為M 個(gè)模塊,每個(gè)模塊有K 個(gè)單體。每個(gè)蓄電池單體均有一組開關(guān)與雙向DC-DC 變流器連接,開關(guān)由兩個(gè)反向串聯(lián)的MOSFET 組成,在單體未選中進(jìn)行充放電時(shí),控制芯片控制相應(yīng)MOSFET 關(guān)斷,單體與變流器斷開曰由控制器選擇給某個(gè)單體進(jìn)行充電時(shí),通過控制芯片開通對應(yīng)的光耦,令MOSFET 導(dǎo)通,將該蓄電池單體接入DC-DC 變流器,如圖9 所示。
圖8 多模塊開關(guān)選擇均衡法結(jié)構(gòu)圖
圖9 多模塊開關(guān)選擇均衡法控制電路
這種方法可以對任何一個(gè)單體進(jìn)行單獨(dú)充放電,充放電電流可控,但是每次只能針對一個(gè)電池單體,因此整個(gè)蓄電池組的充放電均衡時(shí)間較長,尤其在單體數(shù)量很大的情況下。
6.開關(guān)電感法
開關(guān)電感法是在相鄰兩個(gè)蓄電池單體之間通過MOSFET 與一個(gè)電感相連,如圖10 所示,若當(dāng)單體容量B1 大于B2 時(shí),首先令開關(guān)Q1 導(dǎo)通Q2 斷開,B1 給電感L1 充電,然后Q1 斷開Q2 閉合,此時(shí)電感將存儲(chǔ)的能量釋放給B2,為了保證Q1 和Q2 不同時(shí)導(dǎo)通,會(huì)加入死區(qū),在死區(qū)時(shí)間里,電感L1 通過B2,D2 續(xù)流。同時(shí)B2 也可以給B3 傳遞能量,也可以實(shí)現(xiàn)能量反方向的流動(dòng),直到所有電池單體容量相同為止。
圖10 開關(guān)電感法電路結(jié)構(gòu)圖
開關(guān)電感法可以實(shí)現(xiàn)相鄰電池單體間能量的同時(shí)傳遞,可以減少均衡時(shí)間,對于N 個(gè)蓄電池單體,需要2N-2 個(gè)MOSFET 和N-1 個(gè)電感。
7.結(jié)論
蓄電池組各單體容量的均衡對于串聯(lián)蓄電池組的工作效率和安全起著非常重要的作用,長時(shí)間的不均衡會(huì)導(dǎo)致整個(gè)蓄電池組壽命縮短,嚴(yán)重影響整個(gè)系統(tǒng)的工作。本文介紹了各種蓄電池均衡方法的工作原理和優(yōu)缺點(diǎn),從中我們可以看出,沒有一種方法是十全十美的,需要根據(jù)應(yīng)用場合堯均衡時(shí)間堯串聯(lián)數(shù)量堯成本等因素綜合考慮,進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用的選擇。
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