雙向無損蓄電池均衡系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張金龍，夏超英

(天津大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，天津300072)

1 引言

面對(duì)嚴(yán)峻的環(huán)境和能源問題，電動(dòng)汽車(EV)以其低噪聲和零排放的優(yōu)點(diǎn)，成為了研究熱點(diǎn)。蓄電池是EV的動(dòng)力環(huán)節(jié)，但其單體端電壓普遍較小，研究表明整個(gè)電池組的有效容量會(huì)受最小容量單體電池的影響［1］。若單體間的電壓差異得不到及時(shí)的平衡和抑制，這種不均衡性就會(huì)隨電池的充放電循環(huán)不斷加劇，最終會(huì)影響整個(gè)電池組的工作。因此有效的電池組均衡系統(tǒng)具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義［2-3］。

本系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)采用的是一種雙向非耗散型電流分流電路，這種均衡方式可以將相鄰兩個(gè)電池單體中電壓較高的單體的能量轉(zhuǎn)移到電壓較低的單體中，而電能轉(zhuǎn)移的媒介就是儲(chǔ)能電感。

2 硬件電路的實(shí)現(xiàn)

整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。主控芯片采用TMS320LF2407，首先通過光耦選通和信號(hào)采集調(diào)理電路將電池電壓通過AD通道輸入DSP;然后經(jīng)過均衡比較邏輯生成MOSFET開關(guān)管的PWM控制信號(hào);此信號(hào)經(jīng)過驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)即可用于驅(qū)動(dòng)MOSFET，從而控制均衡電路的工作狀態(tài);此外系統(tǒng)還通過 SCI實(shí)現(xiàn)了與PC機(jī)的通信，并具有備用的CAN接口。

本系統(tǒng)在具體的硬件實(shí)現(xiàn)中通過資源合理配置實(shí)現(xiàn)了信號(hào)控制電路與均衡電路的集成。圖2是均衡電路的整體結(jié)構(gòu);圖3則給出了單個(gè)均衡模塊中驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)，均衡電路以及電池組之間的連接圖［4］。

圖1 均衡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure of balancing system

圖2 均衡電路整體結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of balancing circuit

如圖2所示，電池組是由多節(jié)單體電池串聯(lián)而成，每相鄰的兩節(jié)單體n和n+1都連接著一個(gè)均衡模塊，因此對(duì)于包含n節(jié)單體的串聯(lián)電池組而言共需要n－1個(gè)均衡模塊。這種結(jié)構(gòu)可以保證在電池組中，能量會(huì)從電壓較高的單體轉(zhuǎn)移到電壓較低的單體。

圖3 均衡模塊n的電路圖Fig.3 Circuit of balancing module n

每個(gè)均衡模塊的電路設(shè)計(jì)如圖3所示，光耦隔離驅(qū)動(dòng)芯片HCPL050L用于實(shí)現(xiàn)MOSFET的柵極驅(qū)動(dòng)，為了實(shí)現(xiàn)信號(hào)控制電路與均衡電路的集成，此處直接選用HCPL050L對(duì)應(yīng)的電池單體作為其供電電源。這種措施充分利用了電池資源，在實(shí)現(xiàn)電路集成的同時(shí)還簡化了電路板布局。在每個(gè)均衡模塊的上下橋臂分別采用P溝道和N溝道兩種類型的MOSFET，P溝道 MOSFET開關(guān) FDS4435的源極與對(duì)應(yīng)電池單體的正極相連，N溝道 MOSFET開關(guān)FDS6690的源極則與對(duì)應(yīng)電池單體的負(fù)極相連。

上橋臂開關(guān) FDS4435導(dǎo)通時(shí)，單體 Bn會(huì)有一部分能量轉(zhuǎn)移到儲(chǔ)能電感中，當(dāng) FDS4435關(guān)斷后，儲(chǔ)存在電感中的能量則會(huì)以續(xù)流的方式轉(zhuǎn)移到單體Bn+1中;同理，下橋臂的FDS6690進(jìn)行開關(guān)動(dòng)作時(shí)則會(huì)實(shí)現(xiàn)能量的反向傳遞。開關(guān)器件的通斷由控制器輸出的PWM脈沖進(jìn)行控制，調(diào)節(jié)PWM占空比的大小，可調(diào)節(jié)能量轉(zhuǎn)移的速度。需要注意，由于上下兩個(gè)開關(guān)分別為 P溝道和 N溝道，因此其要求的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)的有效極性也是不同的，F(xiàn)DS4435的驅(qū)動(dòng)信號(hào)為低電平有效，對(duì)FDS6690則為高電平有效。為滿足開關(guān)的驅(qū)動(dòng)需求并提高信號(hào)驅(qū)動(dòng)能力，在光耦元件的前級(jí)分別采用了同相輸出緩沖器和反向輸出緩沖器。

3 均衡系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用的均衡電路雖可實(shí)現(xiàn)雙向均衡，但是所用到的開關(guān)器件數(shù)目相對(duì)較多，對(duì)于有n節(jié)電池單體串聯(lián)的電池組而言，共需要2n－2個(gè) MOSFET開關(guān);此外還包括n－1個(gè)用于能量轉(zhuǎn)移的儲(chǔ)能電感。為了確保這些器件都能正常工作，就必須設(shè)計(jì)一套高效而可靠的開關(guān)控制策略以及相關(guān)的保護(hù)邏輯。

圖4為均衡控制子程序流程。在進(jìn)行均衡之前首先對(duì)電池電壓狀態(tài)進(jìn)行判斷，即只有當(dāng)電池組中所有單體電壓都處于正常范圍時(shí)(2.5～3.8V)，程序才會(huì)轉(zhuǎn)入均衡程序，否則就會(huì)將所有PWM輸出置為無效，此開關(guān)保護(hù)措施可有效防止在裝卸電池單體時(shí)MOSFET發(fā)生誤導(dǎo)通。而后均衡控制的核心部分即模塊分組均衡策略，以下對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)介紹。

圖4 均衡控制子程序流程Fig.4 Flow chart of balance control program

本系統(tǒng)的均衡過程實(shí)際是一個(gè)先放電再充電的過程，即把從電壓較高的單體中放出的電能充入電壓較低的單體中。LiFePO4電池本身具有高效輸出能力，輸出電流可達(dá)2～5C，但是可接受的充電電流相對(duì)則較小，如本實(shí)驗(yàn)中用的LiFePO4電池標(biāo)準(zhǔn)充電電流僅1/3C。當(dāng)均衡電流大于一定值時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致放出的能量不能被順利充入目標(biāo)電池中，從而引起電感飽和甚至?xí)p害電池。本文提出的模塊分組均衡策略就是為了提高電池的充電電流接受能力。

研究表明，當(dāng)用較大電流對(duì)鋰電池充電時(shí)，如果能夠暫時(shí)性停止充電，可以有效抑制極化，從而提高電池的充電接受能力［5-6］。

根據(jù)這一特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一種模塊分組均衡策略。首先將與電池組相連的所有均衡模塊分成兩組，參考圖2結(jié)構(gòu)，第一組對(duì)應(yīng)左側(cè)2，4，6…偶數(shù)模塊，第二組則對(duì)應(yīng)右側(cè)1，3，5…奇數(shù)模塊。設(shè)計(jì)令第一組中的所有模塊同時(shí)工作，即同時(shí)比較單體2和3，4和5，6和7…的電壓值并開通電壓較高的單體對(duì)應(yīng)的MOSFET;同理也令第二組所有模塊同時(shí)工作，即同時(shí)比較單體1和2，3和4，5和6…的電壓值并進(jìn)行相應(yīng)的開關(guān)動(dòng)作;注意這兩組均衡過程在邏輯上是互鎖的，體現(xiàn)在時(shí)序上就是兩組模塊以互補(bǔ)的形式交替工作。這就相當(dāng)于在均衡過程中插入了一段較長的暫停時(shí)間，這樣就可以提高電池的充電接受能力，進(jìn)而也加快了電池組均衡進(jìn)度。此外，電壓采集一直在循環(huán)執(zhí)行，與PWM輸出同步，且每組模塊的均衡段時(shí)間與整個(gè)電池組的電壓采集周期相等。本系統(tǒng)中，電壓采集周期為15ms，即每個(gè)模塊均衡周期為30ms，而 PWM頻率為1kHz，低電平有效，均衡策略的時(shí)序圖如圖5所示。

圖5 均衡策略時(shí)序圖Fig.5 Sequence chart of balancing strategy

為了更加全面地把握均衡電路的工作，下面基于這一均衡策略對(duì)均衡模塊的工作過程進(jìn)行簡要分析。首先分析單模塊中相關(guān)元件流通的電流波形，如圖6所示。

圖6 均衡模塊的工作電流波形Fig.6 Waveforms of balancing current

圖6中Vgs是MOSFET的驅(qū)動(dòng)信號(hào)(FDS4435為低電平;FDS6690為高電平);imh是開通的MOSFET對(duì)較高電壓的單體進(jìn)行放電的電流;iL是儲(chǔ)能電感中的電流;idl是 MOSFET關(guān)斷后電感通過二極管對(duì)較低電壓的單體充電的電流;T為PWM輸出周期，D為占空比，為防止電感飽和應(yīng)滿足D＜50%且留出一定裕量。由于儲(chǔ)能電感的存在，可知放電和充電過程均滿足L×di/dt=Vbn，其中Vbn為對(duì)應(yīng)的單體電壓。據(jù)此關(guān)系式可以得到單周期內(nèi)充放電電流的峰值和均值:

由于采用了分組均衡，兩組模塊互補(bǔ)工作，因此相鄰單體電壓差值達(dá)到均衡精度之前實(shí)際平均均衡電流約為單周期平均均衡電流的一半，即:

4 實(shí)驗(yàn)分析

實(shí)驗(yàn)采用的電池組額定總?cè)萘繛?Ah，由5節(jié)品力牌磷酸鐵鋰電池串聯(lián)組成，單體額定電壓為3.3V，單體額定容量600mAh。在初始狀態(tài)不一致的情況下，采用本系統(tǒng)在電池空載狀態(tài)下對(duì)其進(jìn)行均衡，均衡精度設(shè)置為40mV;由于電池單體額定充電電流為200mA，根據(jù)電感值和單體電壓根據(jù)式(3)選取 D=0.3，均衡初期較大的均衡電流約230mA，由式(1)可知其峰值可達(dá)5C以上，均衡效果如圖7所示。

圖7 均衡實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.7 Experimental result of balancing

圖7(a)顯示各電池在均衡過程中端電壓的變化，圖7(b)為均衡前后5節(jié)電池端電壓的比較。可見，在均衡過程中各電池的端電壓趨于一致，均衡效果明顯;而且在均衡開始30min內(nèi)，單體間的最大電壓差便由初始狀態(tài)的0.27V下降到了70mV左右，降幅達(dá)75%以上，可見均衡速度較快;另外實(shí)驗(yàn)中沒有出現(xiàn)電感飽和現(xiàn)象，可以確定從電壓較高的單體放出的電能能夠順利地被相鄰電壓較低的單體接收;此外，本系統(tǒng)準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)了預(yù)設(shè)的均衡精度40mV，可以斷定隨著信號(hào)采集技術(shù)的發(fā)展，均衡精度還可以進(jìn)一步提高，以適應(yīng)工作窗口較窄的蓄電池。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一套雙向無損的鋰離子電池均衡系統(tǒng)，硬件方面通過資源合理配置實(shí)現(xiàn)了信號(hào)處理與均衡模塊的集成，簡化了電路板布局;軟件方面則通過模塊分組均衡的策略促進(jìn)了電池間能量的高效傳遞，有效地抑制了電池組的不一致性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法達(dá)到良好的均衡效果，實(shí)現(xiàn)了較高的均衡精度，可改善當(dāng)前工程實(shí)際中電池均衡系統(tǒng)效率低、智能性不高的問題。除了對(duì)處于靜置狀態(tài)的電池組進(jìn)行均衡維護(hù)外，本系統(tǒng)亦適用于充電和放電狀態(tài)的串聯(lián)電池組。在后續(xù)工作中，還需要進(jìn)一步提高系統(tǒng)均衡電流的等級(jí)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)更大容量電池的均衡控制?？梢灶A(yù)見，該均衡系統(tǒng)在未來的電動(dòng)汽車領(lǐng)域具有較廣闊的應(yīng)用空間。

［1］李紅林，張承寧，孫逢春，等(Li Honglin，Zhang Chengning，Sun Fengchun，et al.).鋰離子電池組均衡充電和保護(hù)系統(tǒng)研究 (Research on equal charging and protection system of Li-ion battery pack)［J］.北京理工大學(xué)學(xué)報(bào) (Journal of Beijing Institute of Technology)，2004，24(3):210-211.

［2］李書旗，沈金榮 (Li Shuqi，Shen Jinrong).蓄電池組均衡電路的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn) (Design and experiment of balancing circuit for rechargeable battery pack)［J］.科學(xué)技術(shù)與工程 (Technology and Engineering)，2009，9(13):3081-3085.

［3］Baisden A C，Emadi A.An advisor based model of a battery and an ultra-capacitorenergy source forhybrid electric vehicles［J］.IEEE Transactions on Vehicular Technology，2004，53(1):199-205.

［4］Nishijima K，Sakamoto H，Harada K.A PWM controlled simple and high performance battery balancing system［A］.IEEE 31stAnnual Power Electronics Specialists Conference［C］.Galway，Ireland，2000.517-520.

［5］賈英江，傅孝忠，等 (Jia Yingjiang，F(xiàn)u Xiaozhong，et al.).鋰電池充電方法分析 (Analysis of Li-ion battery charging methods)［J］.科技資訊 (Science＆Technology Information)，2009，(2):123.

［6］徐振 (Xu Zhen).鋰電池一般特性及管理系統(tǒng)分析(General performance and management system analysis of Li-ion battery)［J］.廣西輕工業(yè) (Guangxi Journal of Light Industry)，2009，(10):35-37.