新能源电源能量转移均衡系统

关键词：新能源 能量转移 均衡

一、主要应用范围

新能源中担任重要角色的锂电池，目前在众多领域获得了广泛的使用。为克服生产制造和累积使用过程中产生的一致性差异对成组电池的消极影响，电池增加均衡技术的要求近期越来越受到关注。现提出一种有别于常规耗能型的全程能量转移均衡实现方法，其均衡能力强，实际工作效果好，应用前景非常广阔。

二、研究内容

随着社会经济和技术的发展，高能量密度比的锂电池业在车辆、风能太阳能储能、军事航空等领域广泛应用。当前，全球各大主要相关企业和机构逐年加大研发和支持力度。在我国政府相关产业政策的强力推动下，迈出实验室阶段的商业化、批量化产品相继投放市场，进入众多家庭，市场潜力市场需求巨大。目前，典型的商品化代表产品有特斯拉纯电动轿车；西格威平衡车；小牛助力车等以及其他类别用电设备。虽然较为成熟的产品在使用的锂电池组中都配置了必要的保护功能以及扩展的管理系统，完成对电池的过充、过放、过流、短路等保护和数字化信号采样、通讯与管理；但是，无论在车辆上或是其它电池作为动力能源供给的场合，满足实际负载的额定工作电压和工作电流的电池组都是以单体的多并多串来构成。前面的基本必要功能对电池生产制造和后期使用过程中产生的单体非一致性无能为力，结果是相当程度地影响了电池组的实际使用效果，该现象在高串数大容量场合表现得非常突出。

为避免极端条件下并非单体电池故障而发生的电池组禁充禁放或者是一般条件下的实际使用成组容量的恶化，均衡概念提到议事日程，并且在部分中高端产品中采用。这一有利于提升锂电池使用效果的措施，进一步推动了相关领域的发展。

三、技术方案

电池组均衡模式存在耗能型和转移型之分；耗能型原理上需要结合不同厂家单体电芯的充放电数据和曲线，通过在单体过充保护值下方设置一定的均衡开启门限，检测电路跟踪每个单体的电压值，当某个或某些单体电压上行到门限值时，开启分流通道，在功率电阻上以热消耗的方式通过耗能来钳制电压的继续爬升，避免过充保护的发生而发生的整组电池充电禁止，此为非全程的末端工作方式。然而，由于耗能元件和电池处于同一密封体内，结合理论计算和实际验证，在无额外散热条件的下，如果全体启动热均衡，最大热耗电流只能限制在百毫安级；否则发热量不可接受。此外，其均衡过程仅发生在充电后期，工作时间短，综合起来就是均衡能力偏弱，特别针对大容量电池组来看尤其更显得不足。此外，均衡门限和过充门限之间保留的不小于50毫伏电压值客观上压缩了成组电池的标称容量，经计算类推其容量减少量级在3-5%左右。

上述种种缺陷不可忽视，发展新型均衡技术势在必行。

四、解决的关键技术

（一）系统功耗

系统功耗是首先要解决问题，忽视功耗限制的设计没有任何实际使用意义。电路中的所有器件都必须满足此项要求。IC选用CMOS元件，驱动及开关管选用场效应管。方波频率依据电容的容量来计算，频率过低，在不影响转移效率的前提下所需电容量需要加大，体积和成本上不合适。频率过高，场管开关过程中的上升沿下降沿的时间占比大，此间处于放大工作状态，发热量大甚至烧管，造成安全性隐患。实验数据表明频率f=10KHz是比较适合的选择。

（二）公共电源

电源提供公共逻辑单元的工作电压。从平衡取电的角度出发必须取自电源组的最高电压位置。电池组端电压的正常波动范围在过充过放之间，为配合单元中IC供电标称值，结合整个系统的功耗限制，研制高压差微功耗稳压电源。

五、技术创新和突破点

六、项目成熟程度

七、项目所处阶段

本项目是新能源应用方面的新技术，能改善新能源汽车的电池组的性能，目前本项目处于初期研发阶段。进行初步设计，技术验证，再生产样机，才能进行技术推广。

四、主要研究内容和目标

1、

新能源汽车的核心部件是动力电池，其发展是以动力电池的发展为前提；而动力电池必须满足新能源汽车的需求才能使用，其发展又离不开新能源汽车发展的引导，根据新能源汽车的发展方向可以反映出动力电池的发展路径。电池能量密度的不足使得有限体积的电池系统不足以满足更高的续航里程。

能量转移均衡系统可以解决电池组禁充禁放或者是一般条件下的实际使用成组容量的恶化现象，提升电池组使用效果。

本项目为解决电池组能量转移均衡技术，从电源、电容等方面进行技术突破。

结构框图见示意图：

由电源单元；方波发生、波型处理单元；电平转换电流驱动单元；电容及开关阵列单元等组成。

（一）电源部分受控于前级输入的均衡使能信号给方波发生器等提供工作电源，启动后发生一定频率的方波。波型经过处理后得到三路相位上有特殊要求的后级控制波型。

（二）电平转换重新调整每路信号的逻辑电平值，满足多地电位场合使用。考虑到开关器件场效应管的固有特性，信号必须有较强的驱动能力。

（三）电容是能量转移承载体。某个时刻其正负端分别接在某个电池单体的正负极，根据其先前的电压和被接入的电池电压差进行充电或者放电，过程是双向的；而在下一时刻其正负极切换到相邻电池的正负极，并根据两者压差重新进行充电放电，循环往复最终使相邻电池得到均衡。

    2、

技术路线

（一）波形处理

示意图中的开关器件是以单个单刀双开关来描述控制逻辑的，实际上形成真正电路的是位置处于上臂和下臂两只功率场效应管。除最高电压等级的一路选择P沟通场管，其余仝部选择N沟通场管。

单一方波通过简单的反相分别驱动上下场管轮流导道理论上是行的通的的，由于场效应管的固有特性和制造方面原因，非同一只器件存在或多或少的差异性，特别在本结构电路中，缺陷尤其突出，实际应用中存在严重问题。

场管是电压驱动器件，静态栅级工作电流nA级，可以忽略不计。功率型功管的极电容较大，驱动不足会使状态翻转无法即刻反应，上升沿和下降沿时间总和在时间轴上占比过大时会产生无法忽视的热量，既耗费了理应避免的能源又次生了安全性的隐患，使用图腾柱电路可解决驱动能力不足的问题。

再一个技术难点是多路波型信号的产生和处理，此为整个系统设计的成败关键。上下场管分时轮流切换摆渡电容的正负极至串联的相邻电池正负极，非同一只场管导道关闭存在异步。即存在同时导通的可能，使得某个电池的正负极被直接连通而发生严重短路情况。所以控制上下场管的信号时序上要包含死区。这样，原始50%占空比10KHz的方波处理出三路信号，每路信号的前沿和后沿合成⊿T，数值控制在⊿T=1/F*5%左右。笫一路高电平有效，第二路相位滞后180度高电平有效，第三路相位滞后180度低电平有效分别输出给对应的图腾柱场管驱动电路。

（二）电容及保护

电容是均衡电路的核心部件，起能量摆渡的作用。电容和电池双向互充的电流IC=∣VN-VC∣/R（其中N=1，2,3....,R=R内阻+R线阻）。功率型场管导道内阻毫欧级，导线焊点也是这个等级，所以回路总阻值很小。假设∣VN-VC∣>0.1V,R<0.01，那么互充的最大瞬间电流>10A，同时考虑到场效应管的万一故障，回路中必须设置完备的限流和保护器件，防止灾难性后果

3、成果

本项目实施过程中，可申请发明专利1个，实用新型专利2个，外观专利1个。产品可申请高新技术产品推广应用。随着新能源汽车的普及，该项技术将大大改善新能源汽车的电池组性能，提供行驶里程和缩短充电时间，延长电池使用寿命。预计产生的经济效益在2000万元以上。

主要技术指标

下表以常用的18650/2Ah单体组合的成24V电源组为例

十、风险分析

本项目有一定的技术难度，器件的性能和设计中的技术路线都影响产品的实用效能。新能源中的燃料动力汽车发展，也会影响本项目的实用推广。实用商业化的项目要审视整个系统的所有环节，除了上述主要电性能以外，尺寸、重量、材料成本同样要合理选择。在严格的设计规范指导下方可顺利完成目标。