能量转移式航模锂电池组高效均衡设计原理

    随着锂离子电池(以下简称锂电池)生产工艺的不断提高，大容量的单体锂电池已经得到了广泛的应用。相比过去，大容量的单体锂电池可以大幅度减少电池组中单体电池的数量，提高电池组系统的可靠性。同时，大容量的单体锂电池如果串(并)联使用，在管理方面有很多新的要求，本文在对比以往的电池组管理系统(BMS)的基础上，提出改进方案，从而实现高速、高效的电池组均衡。
锂电池组均衡系统现状分析
目前工业界最常用的方法仍然是早期的分流电阻法，这种方法效率较低但是简单可靠，很多公司也为此开发了专用的芯片，目前比较流行的是Intersil 公司生产的ISL9208/16/17系列产品，已经可以做到最多12 节中小容量单体锂电池串联。相比这些现有基于单芯片的管理系统，大容量锂电池有如下特点：首先，大容量的单体锂电池成本比较高，对均衡的效率和精度要求比较高，如果电池组寿命与自身价格不能相称，将极大地限制其自身的推广和发展；其次，大容量锂电池由于自身容量大，如果均衡电流太小则效率低下，以20AH 的单体锂电池为例，充电电流在3~5A，均衡电流要求1~2A，而ISL9208 系列的自带均衡电流最大只有200mA；最后，均衡电流的增大，能量消耗型均衡已经不适用，大电流下的能量消耗以及产生的高热都会造成系统的不稳定。
均衡电路的拓扑选择
对于非能量消耗型均衡，基本原理是将能量从电压高的电池转移到相邻电压较低的电池上。一般电路拓扑主要采用的是Buck- Boost 结构(如图1 左所示)，该结构实现简单效率适中，但是在运行过程中为保持其工作在DCM状态，控制MOSFET管的PWM波占空比要小于50%，因此能量的转移只能在DT(D 为占空比，T 为开关周期)内进行。Buck- Boost 结构的输入/ 输出电流是不连续的，在某些对电流有要求的场合是不适用的。基于开关型控制的思路，本文采用的是另一种开关型拓扑———Cuk 结构(如图1 右所示)，Cuk 型结构的电路在DT 和(1- D)T 都可以进行均衡，PWM波占空比不受DCM限制，基本结构虽然比Buck- Boost 略复杂，但能量转移效率高，均衡时间短。另外，Buck- Boost 结构的开关电流是脉动的，因此一般都需要附加一个输入/ 输出低通滤波器，而Cuk 结构自身的L1、C1 就已经起了这个作用， 相比之下Cuk 结构与Buck- Boost 结构整体电路复杂程度相差不大。