英飞凌主动均衡解决方案 - 如何做一个高集成低能耗的BMS系统

英飞凌（Infineon）主动均衡解决方案

英飞凌的主动平衡解决方案是针对锂电充放电进行主动均衡处理的智能型方案。该方案采用特制变压器来将电池单体中的能量转移到电池包中，或者在各个电池包中转移，可以帮助提高能源效率，减少电池单体不一致而产生的问题，并将电池使用时间提高至少10%，对降低整个电池系统的成本起到极大作用。

目前，应用在主动均衡上的做法，主要有基于电容均衡、电感均衡、DC-DC均衡等几种方式。

基于电容的的均衡在电路失效的时候不会造成电池的过放，不过主动均衡电容充当电量搬用工，需要超级电容。超级电容的成本也很高，耐压却不高。容易出现老化，损坏等问题。 超级电容的寿命也存在问题。另外这种方式均衡的时候，电压压差越小均衡效率越低。可靠性无法保证。

基于电感的均衡存在一个风险， 就是均衡开关打开的时候出现死机或者意外控制型号失灵的状态，会引起大电流损坏电路。可靠性无法保证。

下面介绍由英飞凌公司基于变压器的主动均衡方案（互感充放电）。

目前，主动均衡的做法有很多，但均需要一个用于转移能量的存储元件。如果用电容来做存储元件，将其与所有电池单元相连就需要庞大的开关阵列。更有效的方法是将能量存储在一个磁场中。该电路中的关键元件是一个变压器。

其中，英飞凌设计的变压器能在电池单元之间转移能量，并将多个单独的电池单元电压复接至一个基于地电压的模数转换器（ADC）输入端。变压器实用模型支持多达 12 个电池单元，开关则采用低导通电阻 OptiMOS3 系列 MOSFET。

电池管理模块原理图

上图每个模块都受英飞凌公司的 8 位先进微控制器 XC886CLM 控制。这种微控制器自带闪存程序和一个32KB的数据存储器。此外，微控制器还有两个基于硬件的CAN接口，支持通过公共汽车控制器局域网（CAN）总线协议与下面的处理器负载通信，包含一个基于硬件的乘除法单元，可用于加快计算过程。

由于变压器可以双向工作，所以可以根据不同情况采取不同的均衡方法。在对所有电池单元进行电压扫描之后（电压扫描的细节将在后面介绍），计算平均值，然后检查电压偏离平均值最大的电池单元。如果其电压低于平均值，就采用底部平衡法（bottom-balancing），如果其电压高于平均值，就采用顶部平衡法（top-balancing）。

底部平衡法：当对所有电池单元扫描后，发现某个电池是最弱单元（比如电池2），则必须对其进行增强，此时闭合主开关（“prim”），电池组开始对变压器充电。主开关断开后，变压器存储的能量就可以转移至选定的电池单元。相应的次级（“sec”）开关——在本例中是开关sec2——闭合后，就开始能量转移。具体如下图所示：

锂离子电池的底部充电平衡原理

顶部平衡法：如果某个电池单元的电压高于其他单元，那么就需要将其中的能量导出，这在充电模式下尤其必要。如果不进行平衡，充电过程在第一块电池单元充满之后就不得不立即停止。采用平衡之后则可以通过保持所有电池单元的电压相等而避免发生过早停止充电的情况。

锂离子电池的顶部充电平衡原理

上图给出了顶部平衡模式下的能量流动情况。在电压扫描之后，发现电池单元5是整个电池组中电压最高的单元。此时闭合开关sec5，电流从电池流向变压器。由于自感的存在，电流随时间线性增大。而由于自感是变压器的一个固有特性，因此开关的导通时间就决定了能够达到的最大电流值。电池单元中转移出的能量以磁场的形式得到存储。在开关sec5断开后，必须闭合主开关。此时，变压器就从储能模式进入了能量输出模式。能量通过巨大的初级线圈送入整个电池组。顶部平衡法中的电流和时序条件与底部平衡法非常类似，只是顺序和电流的方向与底部平衡法相反。