基于反激式變換器的鋰電池組均衡系統(tǒng)設(shè)計

羅衛(wèi)軍，朱玉玉，武麗

(西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院，四川綿陽621010)

基于反激式變換器的鋰電池組均衡系統(tǒng)設(shè)計

羅衛(wèi)軍，朱玉玉，武麗

(西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院，四川綿陽621010)

針對大容量鋰電池組在電動汽車中的應(yīng)用，提出并設(shè)計了一種基于反激式變換器的鋰電池組均衡系統(tǒng)。通過微控制器和驅(qū)動電路控制雙向同步反激式變換器實現(xiàn)電池能量的雙向轉(zhuǎn)移，配合相應(yīng)的均衡策略，進而實現(xiàn)電池組的雙向均衡。采用12路串聯(lián)錳酸鋰電池組進行實驗，實驗數(shù)據(jù)表明該系統(tǒng)工作穩(wěn)定，使用靈活，均衡效率高，均衡電流大。

鋰電池組；雙向均衡；反激式變換器；電池管理系統(tǒng)

近年來，隨著石油能源的枯竭和世界各國對環(huán)保的重視，以純電動汽車為代表的新能源汽車發(fā)展迅猛。鋰電池以其綠色環(huán)保，高比能量、高比功率等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于電動汽車[1-3]。在實際應(yīng)用時，通常需要上百個單體電池串聯(lián)使用以獲得數(shù)百伏的電壓。鋰電池在制造時由于工藝、原料等因素會存在一定的不一致性，同時受電池工作環(huán)境的影響，單體電壓的不一致性會隨著使用時間不斷加大[4]。鋰離子電池對過充電，過放電比較敏感，過充電和過放電很容易造成電池的損壞，因此當(dāng)電池組中有一塊電池電壓達到最高充電電壓時，就不能對整個電池組充電。同樣，當(dāng)電池組中有一塊電池電壓達到最低放電電壓時，就不能對整個電池組放電，從而導(dǎo)致電池組的可用容量大大減小，即“木桶效應(yīng)”[5-6]。均衡控制系統(tǒng)可以有效減小電池組的不一致性，這對于電動汽車有十分重要的意義：不僅可以顯著提高電池組的使用壽命，還可以充分利用電池的儲能能力，進而提升續(xù)航里程。

1 現(xiàn)有主流均衡方案分析

目前的均衡方法按照能量轉(zhuǎn)移情況，可分為能量耗散型和能量轉(zhuǎn)移型。能量耗散型均衡方案最常用方式是電阻耗散結(jié)構(gòu)，如圖1所示。通過控制電壓較高的電池上的晶體管導(dǎo)通，對其進行放電，直到與低電壓的單體相近。這種方案結(jié)構(gòu)簡單，控制方便，但是均衡過程中耗散的能量都以熱量的形式散發(fā)出來，對系統(tǒng)的散熱要求高，會造成能源浪費，并且無法均衡電壓過低的電池，不適用于大容量電池組。

圖1 電阻耗散型均衡方案原理圖

能量轉(zhuǎn)移型均衡方案主要利用電容或電感來實現(xiàn)電池單體間的能量轉(zhuǎn)移，均衡過程中消耗的能量少，主要有電容式、電感式和DC-DC變換器均衡。文獻[7]采用了電容式均衡方式，其結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示，通過控制相鄰兩個單體對應(yīng)的開關(guān)切換，利用電容作為儲能媒介，把高電壓的單體中的電荷轉(zhuǎn)移到低電壓單體中。這種方式有兩個比較大的缺陷：一是當(dāng)相鄰單體的電壓差較低時，均衡電流很低，難以快速達到均衡目的；二是只能在兩個相鄰單體之間進行能量交換，如果電池組中高電壓和低電壓的單體間隔較遠時，需要通過其他單體進行能量傳遞的媒介，進一步降低均衡效率。文獻[8]采用了如圖2(b)所示的電感式均衡方式，工作原理和電容式相似，均衡電流有所提高，但是也存在只能在相鄰單體之間傳遞能量的缺點。DC-DC變換器法是利用變壓器進行能量傳遞，根據(jù)變壓器的形式和連接方式，可以有多種實現(xiàn)方式，文獻[9]采用了DC-DC變換器均衡。圖2(c),2(d)是其中比較常用的兩種均衡方式，目前大多采用單向均衡的方法，即通過變壓器用整組電池對低電壓單體充電，或?qū)Ω唠妷簡误w放電。對于圖2(c)所示的結(jié)構(gòu)，當(dāng)整個電池組中只有少數(shù)電池電壓較高時，這種均衡方式能較高效地工作，而當(dāng)電池組中少數(shù)電池的電壓較低時，均衡時間長，均衡效率低。圖2(d)所示的情況與之類似，在少數(shù)電池電壓較高的情況下均衡效率低。采用雙向均衡的結(jié)構(gòu)能夠有效避免這種情況發(fā)生。

圖2 幾種主要的能量轉(zhuǎn)移型均衡方案結(jié)構(gòu)圖

2 雙向主動均衡方案設(shè)計

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于同步反激式變換器的鋰電池組均衡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。電池組由N個單體串聯(lián)構(gòu)成，通過主控模塊采集電池組中的單體電壓，根據(jù)單體電壓分布情況執(zhí)行相應(yīng)的均衡控制策略，根據(jù)均衡策略控制均衡電路對電池組內(nèi)各單體進行均衡。

圖3 雙向主動均衡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 單體電壓采集

作為整個均衡系統(tǒng)的基礎(chǔ)，單體電壓采集的穩(wěn)定性和精度直接關(guān)系到均衡策略。本系統(tǒng)采用電池管理專用的電壓采集芯片LTC6804-1，該芯片是一款集成基準源的串聯(lián)電池組檢測芯片，能夠以16位分辨率和優(yōu)于0.04%的準確度測量12節(jié)串聯(lián)電池，12個通道能夠在290 ms測量完，支持菊花鏈式級聯(lián)，便于系統(tǒng)擴展。

2.3 均衡電路設(shè)計

本文設(shè)計的均衡電路由N個同步反激式變換器及均衡控制單元組成，如圖4所示。變壓器的原邊與單體電池兩端連接，變壓器副邊與整組電池的正負極連接。開關(guān)管由均衡控制單元驅(qū)動。均衡控制單元根據(jù)主控模塊的信號，控制相應(yīng)的開關(guān)管導(dǎo)通和關(guān)斷。通過控制原邊和副邊導(dǎo)通的順序，即可控制能量傳輸?shù)姆较?，從而實現(xiàn)能量的雙向傳輸。該電路采用同步方式工作，可以大大降低均衡過程中的能量損失，但是其控制方式比較復(fù)雜。本文采用LTC3300作為均衡電路的控制芯片，該器件可用于多達6節(jié)電池組的雙向主動均衡系統(tǒng)，集成了所有相關(guān)的柵極驅(qū)動電路，可堆疊的架構(gòu)可使系統(tǒng)工作在高達1 000 V的電池組中。

圖4 雙向主動均衡電路結(jié)構(gòu)圖

2.4 均衡器理論分析

如圖5所示，反激式變換器由變壓器、MOS管和電流檢測電阻構(gòu)成。對單體1進行放電操作時，由均衡控制單元控制MOS管Q1P導(dǎo)通，初級繞組中的電流成斜坡上升，當(dāng)通過檢測電阻RP測得的線圈電流達到所設(shè)定的峰值電流IPEAK_PRI，Q1P關(guān)斷，同時Q1S同步開啟以最大限度地減少能量損失，此時存儲在變壓器中的能量被轉(zhuǎn)移到次級線圈，次級線圈中的電流反向流動，給電池組充電。初級線圈和次級線圈中的電流分別為：

式中：S為次級連接的電池串中單體的數(shù)量；T為變壓器次級/初級的匝數(shù)比；η為轉(zhuǎn)換效率。

對單體1進行充電操作時，Q1S導(dǎo)通，次級繞組電流逐漸增大，直到電流達到IPEAK_SEC，Q1S關(guān)斷，同時Q1P同步開啟，使次級線圈中的能量轉(zhuǎn)移到初級線圈，初級線圈產(chǎn)生反向電流給單體充電。對應(yīng)的初級線圈和次級線圈中的電流分別為：

圖5 雙向同步反激式變換器結(jié)構(gòu)圖

由控制方式可知，系統(tǒng)中的反激式變換器工作在DCM模式，其充放電周期的波形如圖6所示。充放電的頻率可由下式得出：

式中：LPRI為初級繞組的電感量。

圖6 雙向同步反激式變換器充放電波形

2.5 均衡策略

當(dāng)電池單體處于充電或放電時，由于存在歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻[10]，在較大均衡電流(5～10 A)下，測量得到的單體端電壓會存在比較明顯的誤差。當(dāng)均衡系統(tǒng)以電池端電壓為依據(jù)進行均衡時，單體的充放電會造成單體電壓檢測不準確，進而對均衡策略造成不利影響。本文采用一種補償方法對充放電造成的端電壓的誤差進行補償：當(dāng)對單體進行均衡時，先測量均衡前的端電壓Vbal_b，再開啟均衡，均衡5 s后，再次測量端電壓Vbal_a，由于均衡時間很短，對電池的容量幾乎沒有影響，所以前后兩次測量值之差ΔVbal=Vbal_a－Vbal_b，即電池內(nèi)阻造成的誤差值。在均衡過程中，對正在進行均衡的電池單體，將采集得到的電壓再減去對應(yīng)的ΔVbal以補償內(nèi)阻造成的誤差。

執(zhí)行均衡策略時，當(dāng)電池組中單體壓差大于設(shè)定的閾值電壓(Vmax－Vmin>Vbalance)，開始執(zhí)行均衡，否則不均衡；在滿足均衡條件的情況下，當(dāng)單體電壓大于平均值且兩者之差超過設(shè)定值，對其進行放電均衡；當(dāng)單體電壓小于平均值且兩者之差超過設(shè)定值，對其進行充電均衡。

3 實驗

在理論分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一臺實驗裝置，并對該裝置進行實驗驗證。實驗裝置采用模塊化設(shè)計，包含一個控制板，2個均衡電路板和一個串聯(lián)電池組，電池組包含12個電池單體，每一個單體由5節(jié)7.5 Ah的電芯并聯(lián)組成，如圖7所示。在本系統(tǒng)中，初級檢測電阻RP和次級檢測電阻RS設(shè)為4 mΩ，變壓器匝數(shù)比為1∶1，IPEAK_PRI=IPEAK_SEC=12.5 A，單體數(shù)S=12，由式(1)、(4)得，IDISCHARGE_PRI=5.77 A，ICHARGE_SEC=0.48 A。

圖7 均衡系統(tǒng)實驗裝置

實驗前，先將電池組各單體進行不同程度的放電處理后靜置5 h，測量各個電池單體的端電壓，單體間電壓差為433 mV，在均衡過程中測量并記錄各單體的端電壓，均衡13 h后單體間電壓差為8 mV。實驗結(jié)果表明，該均衡系統(tǒng)能夠?qū)误w電壓差異控制在10 mV以內(nèi)(圖8)。

圖8 均衡過程中各單體電壓

對1號單體的充放電過程中的參數(shù)進行測量，得到如表1所示的數(shù)據(jù)。結(jié)果顯示，能量傳遞效率達到90%以上，均衡電流達到設(shè)計值。

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4 結(jié)論

本文介紹的鋰電池組均衡系統(tǒng)，基于雙向結(jié)構(gòu)的同步反激式變換器，克服了單向均衡系統(tǒng)均衡效率低和適用范圍窄的不足。在設(shè)計時采用了模塊化設(shè)計，可以方便地進行級聯(lián)從而連接更多的電池。采用60節(jié)7.5 Ah錳酸鋰電池串并聯(lián)組成的電池包進行實驗，實驗結(jié)果表明本系統(tǒng)可以高效地實現(xiàn)雙向主動均衡，均衡后單體壓差小于10 mV，均衡效率達到90%以上，滿足電動汽車等大容量電池包的應(yīng)用需求。

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Design of equalization system for lithium battery pack based on flyback converter

LUO Wei-jun,ZHU Yu-yu,WU Li
(School of Information Engineering,Southwest University of Science and Technology,Mianyang Sichuan 621010,China)

For the application of high-capacity lithium battery pack in electric vehicles,the equalization system for lithium battery pack based on flyback converter was discussed and designed.The energy of cells in battery pack could be bidirectionally transformed through the control of MCU and driver circuit,and then the battery bidirectional balancing was realized with balancing strategy.After a test on a pack including 12 cells,the result shows the system is stable,flexible to use,high-efficient and has good performance in balancing current.

lithium battery pack;bidirectional equalization;flyback converter;BMS

TM 912

A

1002-087 X(2016)08-1594-03

2016-01-22

羅衛(wèi)軍(1990—)，男，四川省人，碩士，主要研究方向為傳感器技術(shù)、儀器儀表。