电池均衡知多少 - 4

非能量耗散型：多个开关电容器

回顾图5.7，非能量耗散均衡电路分为两大类：一些是基于通过中间开关电容器将电荷从一个电芯移动到另一个电芯的原理；其他使用开关变压器或电感为基础的设计，可以被认为是能量转换器。我们首先看基于电容的均衡电路。

考虑图5.11所示的电路，其中电容器比电池组电芯数少一个。基于单极双掷晶体管的开关重复地前后同步移动。即将所有开关置于顶部位置一段时间，然后将所有开关置于底部位置一段时间，然后循环往复。这种转换背后没有任何智能。

当电路工作时，电池电压被平衡。考虑两个相邻的电芯。当开关对齐以将电容器放置在其端子上时，高压电池将电容器充电到其电压水平。然后，当开关在低压电池上对齐时，电容器放电到这个较低的电压。在这个过程中，电荷通过电容器从高压电池移动到低压电池。

随着时间的推移，整个电池组可以被均衡。然而，如果电压最高的电池与电压最低的电池在电池组的另一端，在达到总体均衡之前，电荷必须通过所有中间电池（和电容器）传播。这可能会花费相当多的时间。

非能量耗散型：一个开关电容

另一种设计使用具有智能控制的单个开关电容，如图5.12所示。晶体管开关可以配置为将电容器放置在电池组中任何电池的终端上，从而允许从高压（或高SOC）到低压（或低SOC）电池更直接地移动电荷。

然而，所有基于电容器的设计都有一个严重的缺点，那就是它们依赖于电池之间的电压差来工作。大多数类型的锂离子电池的终端电压变化很小，即使它们的SOC有很大的不同。这往往使均衡使用电容电路非常缓慢。

为了理解这一点，考虑一阶近似分析。在单个开关操作中，可以从一个电池转移到另一个电池的最大能量可以通过基于不同电池电压的电容器能量方程来计算：

能量的变化可以通过电池-电池能量方程（1.6）与SOC的变化相关：

现在，假设vnom≈(vhigh + vlow)/2。然后，将这两个能量相等，得到：

其中Q必须用库仑来测量，以使单位一致。

作为如何应用此结果的一个例子，考虑一个10 Ah的电池（36,000C）。我们想计算当Δv = 0.1V时单个开关操作的SOC Δz的变化。我们可以自由选择电容值，但请注意，高值电容器往往具有高电阻，因此充电缓慢，这是我们在简单的近似中没有考虑到的事实。即使我们选择一个不切实际的大值C = 1F，我们得到：

也就是说，每次电容器从一个电池充电并放电到具有0.1V低电压的电池时，两个电池中每个电池的SOC变化约为0.0003%。照这个速度，永远都无法均衡！此外，当电芯接近均衡时，Δv的值将趋近于零，均衡将进一步减慢。

非能量耗散型：开关变压器

另一种可以以更快的速度移动电荷的方法是使用变压器，如图5.13所示。变压器的初级侧连接到整体模组或电池组电压。变压器的二次线可以切换，以连接模组中的任何电芯。

快速切换输入到初级产生一个近似的交流波形，在次级再现。初级电源跨n个电池连接，变压器按n: 1的比例绕线。这导致变压器的输出电压降低了n倍，但也导致输出电流增加了n倍。在二次侧的二极管确保电荷只被添加，而不是从二次侧的电池中移除。

这种方法比耗散组均衡更有效，比电容方法快得多，但由于变压器和电子设备的成本，可能会更昂贵。目前，许多硅供应商正在努力创造自动化控制芯片，使这种设计在未来的大规模生产产品中可行。

非能量耗散型：共享变压器

图5.14是图5.13的简化版。该电路中的变压器使用自定义绕组，使得所有次级绕组的每一匝都有n匝初级绕组。也就是说，整个电池组或模组的电压被转换到单个电芯的水平，二极管确保能量只被倾倒到电压过低的电池中。控制迅速切换主；二极管输出电流。均衡是自动的，不需要复杂的算法。

非能量耗散型：共享总线

与能量耗散平衡相比，非能量耗散均衡可以带来显著的好处。非能量耗散均衡更节能；它可以快得多；在某些设计中，单个电芯可以根据需要充电和放电（这意味着单个低或高电池不会严重减慢均衡速度）；并且可以使用时变均衡设定点来启用存储在电池组中的所有能量。

然而，尽管有所有这些优点，能量耗散均衡器在目前绝大多数领域的BMS中使用。原因是成本。开关电阻均衡器几乎完全被使用，因为它们非常便宜。非能量耗散均衡器增加了每个电池的电子成本，而基于变压器的方法增加了变压器本身的费用。

我们研究的最后一种均衡架构相对较新，但在某些应用程序中，它有可能使非能量耗散均衡在耗散平衡方面实现成本中立。电路拓扑如图5.15.8所示。该方法在每个单元中使用一个小型隔离DC-DC转换器，其中每个转换器的输入直接连接到电芯，所有转换器的输出连接到共享容性低压母线。

这种方法听起来比开关电阻耗散系统更复杂。然而，这并不一定会让它变得更贵。相对成本难以公平评估，而且会发生变化。此外，非常重要的是，共享的低压总线可以取代其他昂贵的系统组件，从而使整个架构在财务上具有竞争力。

（完结）