電動汽車鋰離子電池組均衡管理系統(tǒng)設計

鄭 翔，黎梅云，孫福龍，張筑亞

（上海電機學院 電氣學院，上海 200240）

電動汽車鋰離子電池組均衡管理系統(tǒng)設計

鄭 翔，黎梅云，孫福龍，張筑亞

（上海電機學院 電氣學院，上海 200240）

介紹了一種電動汽車鋰離子電池組均衡管理系統(tǒng)及控制方法。均衡拓撲為雙向DC／DC集中式有源無損均衡，利用超級電容器組構(gòu)成外部能量過渡裝置，通過控制雙向DC／DC對電池組中的單體電池進行低充高放的均衡。系統(tǒng)以電壓、電量均衡為目標，利用電池的充、放電曲線估算使不均衡單體回到組內(nèi)平均水平所需的時間，通過逐次逼近的方法進行均衡。實驗結(jié)果說明了系統(tǒng)的有效性和可靠性。該均衡管理系統(tǒng)的均衡效果良好，有利于延長電池組的使用壽命。

鋰離子電池組；均衡管理系統(tǒng)；數(shù)字信號處理器；電動汽車；雙向DC／DC變換器

鋰離子電池構(gòu)成的電池組［1］是電動汽車一種理想的能量源。電池組中單體與單體之間存在差異性，隨著充、放電次數(shù)的增加，這種差異性將使單體間的容量差異更大［2］。由于電池組存在“木桶效應”［3］，即電池組特性由最差的電池決定，故若容量不均衡將影響整個電池組的性能，且在充、放電過程中易發(fā)生過充和過放現(xiàn)象，影響電池組的壽命。目前，針對電池組的電池管理技術主要集中在對電池組整體的管理上，對電池單體差異造成電池組的安全隱患，各廠商對此均未給予足夠的重視。

目前，對均衡子系統(tǒng)的主要元器件而言，電阻均衡、儲能均衡是鋰離子動力電池較為常用的無需外加能源的均衡方法［4］。電阻均衡方案中，存在著電阻大小不易選取和熱管理的難題［5］。儲能均衡是利用電池對電感或電容［6］等儲能元件的充、放電，通過繼電器或開關器件實現(xiàn)儲能元件在不均衡電池間的切換，達到電池間的能量轉(zhuǎn)移。雖然儲能均衡的效率較高，但均衡過程中電流不可控，可能損壞電池。

本文利用開關陣列、雙向DC／DC變換器和超級電容組構(gòu)成有源無損的集中式動力電池組均衡管理系統(tǒng)［7］，以電壓、電量為目標，設計了控制充放電時間的算法，改變了以往電阻均衡、儲能均衡系統(tǒng)能量損耗大、均衡效率低、電流不可控等問題；提高了均衡的精度及效率，從而延長動力電池組的使用壽命。

1 系統(tǒng)硬件設計

鋰電池組均衡管理系統(tǒng)包括開關陣列、采樣模塊、雙向DC／DC模塊和主控模塊。開關陣列負責選通電池組內(nèi)的某個電池單體；采樣模塊負責對電池組內(nèi)單體的電壓采集；雙向DC／DC模塊負責對與組內(nèi)平均水平差別較大的電池單體進行均衡；主控模塊負責整個系統(tǒng)的采樣控制、數(shù)據(jù)分析和均衡控制。均衡管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 鋰電池組均衡管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Block diagram of equalization management system for lithium－ion batteries

系統(tǒng)工作過程如下：① 采集電池組內(nèi)各單體的電壓；② 計算電池組內(nèi)單體電壓的平均水平，并確定需要均衡的對象及均衡時間；③ 控制均衡模塊對與平均水平差別較大的單體實行均衡操作。為保證選通的速度和可靠性，開關陣列中的開關采用松下公司［8］的光控MOSFET開關（PhotoMOS）。鋰離子電池組均衡管理系統(tǒng)的電路原理如圖2所示。圖中，PWM為脈沖寬度調(diào)制；第1部分為鋰離子電池組，第2部分為開關陣列，第3部分為雙向DC／DC均衡電路，第4部分為超級電容器組。

圖2 鋰離子電池組均衡管理系統(tǒng)原理圖Fig.2 Schematic of equalization management system for lithium－ion batteries

1.1 主控模塊設計

在電池組均衡管理系統(tǒng)中，主控模塊需完成開關陣列的控制、電池組電壓的采集及分析處理，產(chǎn)生兩路PWM信號控制雙向DC／DC變換器對電池組進行均衡等。系統(tǒng)采用TI公司TMS 320 LF 2407A數(shù)字信號處理器（Digital Signal Processor，DSP）作為主控制器［9］。模擬地與數(shù)字地用磁珠隔離，能有效減小共地干擾。利用DSP內(nèi)部集成的10位AD轉(zhuǎn)換器，可對電池組電壓進行采集。DSP快速的運算能力可滿足本均衡管理系統(tǒng)中對電壓數(shù)據(jù)的分析及充、放電均衡時間的計算速度要求。兩路PWM信號由事件管理器產(chǎn)生，經(jīng)74HC 245驅(qū)動、TLP 559隔離后送雙向DC／DC模塊。

1.2 開關陣列控制邏輯設計

為保證開關陣列的邏輯控制準確、可靠及可擴展性，系統(tǒng)采用Altera公司［10］的MAX II系列EPM 240T100C5N復雜可編程邏輯器件（Complex Programmable Logic Device，CPLD）作為開關陣列邏輯譯碼電路。將DSP的IOPE4～0設置為輸出，提供5路譯碼輸入信號給CPLD，經(jīng)過譯碼能產(chǎn)生系統(tǒng)所需的17路PhotoMOS控制信號。DSP和CPLD的開關陣列譯碼電路［11］如圖3所示。

圖3 開關陣列邏輯控制電路Fig.3 Control logic of switch matrix

譯碼器的輸入為IN4～IN0，輸出為S13～S1，K4～K1。當譯碼器輸出為低時，圖2中開關閉合。當選通1號電池時，輸入為00001，S13～S1輸出為1111111111100，K1～K4為0110；選通2號電池時，輸入00010，S13～S1輸出1111111111001，K1～K4為1001，其余譯碼結(jié)果以此類推。

1.3 采樣模塊設計

采樣模塊負責電池組內(nèi)各單體電壓的采集，作為判斷電池組是否需要均衡和計算均衡所需時間的依據(jù)。系統(tǒng)采用逐個單體電池巡回檢測的方法［12］減少了AD轉(zhuǎn)換通道。采樣時，先選通電池單體，經(jīng)調(diào)理電路和DSP內(nèi)部的10位AD轉(zhuǎn)換器完成電壓檢測。調(diào)理電路采用差分電路和加法電路將電壓測量總線上－4.2～4.2V內(nèi)的電壓調(diào)理到0～3.3V，送給AD，從而得到電池單體的電壓。

1.4 均衡模塊設計

均衡模塊的作用：對組內(nèi)電壓偏低的單體進行充電均衡，對組內(nèi)電壓偏高的單體進行放電均衡。此部分采用雙向DC／DC變換器［14］實現(xiàn)，電路拓撲如圖4所示。

圖4 雙向DC／DC變換器的拓撲圖Fig.4 Topology of bi－directional DC／DC

圖4中，Ubat為待均衡電池單體的電壓，Ucap為超級電容組的電壓。雙向DC／DC變換器具有兩種工作模式：

（1）升壓－放電均衡模式。變換器工作于升壓模式，對待均衡單體進行放電，電流I為正值。此模式下，Q2一直處于關斷狀態(tài)，由C1，C2，L1，Q1和D1組成升壓斬波（Boost）電路，能量從電池單體流向超級電容器組。

（2）降壓－充電模式。變換器工作于降壓模式，對待均衡單體進行充電，電流I為負值。此模式下，Q1一直處于關斷狀態(tài)，C1，C2，L1，Q2和 D2組成降壓斬波電路（Buck），能量從外部超級電容流向電池單體。

開關管Q1和Q2選用IRF540，續(xù)流二極管選擇SR 560。隔離器件采用高速光耦6N137，開關管驅(qū)動芯片采用IR 2110［15］。驅(qū)動脈沖由DSP的事件管理器A提供。

2 均衡算法設計

電池組均衡目標是對電池組內(nèi)各單體進行電壓均衡，且實現(xiàn)各單體的剩余電量基本一致。研究發(fā)現(xiàn)，鋰電池剩余電量與其端電壓呈一定線性關系，但并不準確。因此，本均衡管理系統(tǒng)采用電池的充、放電曲線估算不均衡單體回到組內(nèi)平均電壓水平所需的時間，通過逐次逼近的方法進行均衡［16］。常規(guī)充電方法中，恒流充電階段對應的電池端電壓變化范圍最大，正常使用過程中電池單體電壓均分布在此范圍內(nèi)［17］。本系統(tǒng)采用恒流充電方式對放完電的鋰電池進行恒流充電實驗，得到電池電壓隨充電時間的充電曲線。從充電曲線中可以得到電池電壓由起始電壓變化到某一電壓所需的時間。而通過放電曲線可讀出100%容量的電池單體對應的電壓以恒流方式放電到某一電壓所需的時間。在完成電池組電壓采集后，可得到電池組內(nèi)單體平均電壓、最大電壓和最小電壓等信息，根據(jù)各單體電壓與平均水平的偏離程度，可確定電池組待均衡的對象。

均衡時間的計算方法如下：假設電池組單體平均電壓為Uavg，欠壓電池的單體電壓為Ui（i為單體電池的編號），則在充電曲線中可得到電池單體的電壓由起始電壓變化到Uavg及Ui所需的時間分別為tavg與ti。使均衡電流與充電曲線中的恒流階段的電流一致，可計算出電壓由Ui變化到Uavg所需的時間為ΔTi，ΔTi＝tavg－ti。為了防止過充，可先對欠壓單體進行略小于ΔT時間的主體充電，然后進行若干次浮充電，只要均衡對象的電壓在系統(tǒng)設定的均衡范圍內(nèi)，即可停止充電均衡操作。對某一單體進行充電均衡的過程如圖5所示。

圖5中，主體充電的時間略小于計算出的ΔTi，每次浮充電的持續(xù)時間短，這樣的組合既可達到較快的均衡速度，又可防止過充。均衡范圍可根據(jù)需要設定。

圖5 某一單體充電均衡的過程Fig.5 Equalization processing for a single battery

放電均衡的時間計算與充電均衡的時間計算類似，不再贅述。

3 實驗研究

實驗用的電池組由12個3.6V1A·h的鋰離子電池單體串聯(lián)而成。為便于電壓測量和對電池進行電壓均衡，將各單體電池的正、負極均引出，并與本文所設計的電池組均衡管理系統(tǒng)正確連接。均衡管理系統(tǒng)的性能檢測實驗步驟如下：

（1）將電池組充滿電，此時電壓處于均衡狀態(tài)；

（2）對電池組中的9號電池單獨進行放電，靜置后電壓為3.9V，使電池組不均衡，如圖6所示。

圖6 電池組不均衡時各單體電池的電壓Fig.6 Voltage of each battery in the case of non－equilibrium

圖7 非均衡情況下的放電曲線Fig.7 Discharge curve in the case of non－equilibrium

（3）利用0.4C的恒定電流，對電池組進行放電實驗，發(fā)現(xiàn)在不均衡情況下，9號單體的放電曲線與整體水平差別較大，如圖7所示。

圖8 均衡處理后電池的電壓Fig.8 Voltage of each battery in the case of equilibrium

（4）利用本文設計的均衡管理系統(tǒng)，對電池組進行充電均衡（具體對9號電池進行充電），然后對電池組整體進行充電，此時電池組重新達到均衡狀態(tài)，如圖8所示。

（5）利用0.4C的恒定電流，對電池組進行放電實驗，發(fā)現(xiàn)在電壓均衡情況下，9號單體的放電曲線與整體水平接近，如圖9所示。

由實驗可見，在電壓不均衡情況下的放電，將使單體電池電壓的離散性更大，從而影響電池組整體性能的發(fā)揮；經(jīng)過均衡處理后，各單體電池的放電曲線比較一致，這也說明本文所設計的電池組均衡管理系統(tǒng)是有效的。

圖9 均衡后電池組的放電曲線Fig.9 Discharge curve in the case of equilibrium

4 結(jié) 語

本文設計的電池組均衡管理系統(tǒng)基于雙向DC／DC變換器集中式均衡結(jié)構(gòu)，采用檢測—運算—充、放電的模式進行電壓均衡，能量過渡存儲裝置為超級電容，具有不消耗能量、均衡速度快的優(yōu)點。雙向DC／DC變換器的使用，不僅可以使能量雙向流動，而且還能有效地控制均衡電流，保護電池單體。以電壓均衡為目標，利用充放電曲線估算均衡時間的控制算法具有一定的工程參考價值。

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Design of Equalization Management System of Lithium－ion Batteries for Electric Vehicle

ZHENG Xiang，LI Meiyun，SUN Fulong，ZHANG Zhuya
（School of Electrical Engineering，Shanghai Dianji University，Shanghai 200240，China）

An equalization management system（EMS）and its control methods is presented for lithium－ion batteries in electric cars.Topology of EMS is centralized active lossless equalization structure based on bi－directional DC／DC converters.With ultra－capacitors as external energy storage device，batteries can be charged at low voltage and discharged at high－voltage to the average level of the battery pack.At the same time，the main controller can calculate the equalization time to back the balanced status according to charge and discharge curves.With equalization voltage and charge as the main goal，using a successive approximation equalization method，EMS can gradually balance the battery pack.Experimental results are presented to show validity and reliability of the proposed scheme.The system is used to extend life of the battery pack.

lithium－ion battery pack；equalization management system；digital signal processor（DSP）；electric vehicle；bi－directional DC／DC converter

鄭 翔（1979－），男，講師，博士生，專業(yè)方向為儀器科學與技術，E－mail：zhengxiang＠sdju.edu.cn

TM 910.6

A

2095－0020（2012）03－0152－05

2012－05－24

上海市教育委員會重點學科資助（J51901）