電動(dòng)汽車鋰電池組主動(dòng)均衡的研究

周西峰，賈星遠(yuǎn)，郭前崗

（南京郵電大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，江蘇 南京 210023）

0 引言

由于鋰電池具有能量密度高、自放電率低、循環(huán)壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車領(lǐng)域。在鋰電池使用過程中，需要將多節(jié)單體電池通過串并聯(lián)后為電動(dòng)汽車提供能量。此時(shí)單體電池性能的差異會(huì)導(dǎo)致電池組出現(xiàn)不一致性現(xiàn)象，而電池組的不一致性會(huì)造成成組電池使用性能的下降，導(dǎo)致電池組的可用容量和使用壽命的降低，從而降低電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程，增加使用成本[1-2]。為減小電池組中各單體間的差異，保證電池組的正常使用，本文研究了一種基于雙向反激式變壓器的主動(dòng)均衡系統(tǒng)，該主動(dòng)均衡系統(tǒng)通過能量雙向轉(zhuǎn)移的方式，不管在電池組充電、放電還是靜態(tài)階段，都可以對(duì)電池組內(nèi)各單體電池進(jìn)行均衡處理，使電池組單體性能保持一致[3-4]。

1 主動(dòng)均衡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于變壓器的鋰電池組雙向均衡系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊、均衡主控模塊、均衡模塊與上位機(jī)4部分組成，如圖1所示。

圖1 均衡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

（1）數(shù)據(jù)采集模塊：電壓采集使用凌力爾特推出的第三代電池組監(jiān)測(cè)專用芯片LTC6804，該芯片能測(cè)12個(gè)串聯(lián)的單體電池，每個(gè)單體電池的電壓范圍為0～5 V[5]。另外，LTC6804支持多種不同的電壓采集模式，可以犧牲速率來提高精度，也可以提高采集速率但降低采集精度。在高速率下，對(duì)每路單體電池的電壓采集周期可以小于240 μs。系統(tǒng)通過電壓采集模塊持續(xù)采集電池電壓并將電壓信號(hào)通過SPI傳送給控制模塊，MCU確定均衡對(duì)象，然后由均衡主控芯片來驅(qū)動(dòng)MOS管對(duì)電池進(jìn)行均衡。MCU使用PIC高性能微處理器。

（2）均衡主控模塊：該模塊主要由均衡芯片LTC3300構(gòu)成，它是一款帶故障保護(hù)的控制器IC，適用于多節(jié)電池的變壓器雙向主動(dòng)均衡，集成了相關(guān)柵極驅(qū)動(dòng)電路、高精度電池感測(cè)、故障檢測(cè)電路和帶內(nèi)置看門狗的串行接口[6-7]。LTC3300可實(shí)現(xiàn)6節(jié)單體的雙向同步反激式均衡，10 A最大均衡電流，能夠達(dá)到92%電荷轉(zhuǎn)移效率，1 MHz可菊鏈?zhǔn)酱薪涌诩嫒軸PI，可對(duì)6節(jié)串聯(lián)單體電池均衡，未執(zhí)行均衡操作時(shí)的靜電流為 23.5 μA。

（3）均衡模塊：均衡主控通過均衡策略來控制MOSFET的打開和關(guān)斷。當(dāng)單體荷電量高于電池模塊的平均值時(shí)，需要對(duì)該單體放電；當(dāng)單體荷電量低于電池模塊的平均值時(shí)，需要對(duì)該單體充電。如圖2所示為均衡模塊示意圖。

對(duì)于圖2來說，假設(shè)檢測(cè)到CELL 1電壓過高，CELL 2（整個(gè)電池組或者某單體電池）電壓過低，則初級(jí)繞組開關(guān)G1P控制M1場(chǎng)效應(yīng)管接通，電流在變壓器初級(jí)繞組中斜坡上升，直到在I1P引腳上檢測(cè)到峰值電流 （在I1p上檢測(cè)），初級(jí)開關(guān)G1P隨后控制M1斷開，存儲(chǔ)在變壓器中的能量被轉(zhuǎn)移到次級(jí)繞組中，使得電流在變壓器的次級(jí)繞組中流動(dòng)；次級(jí)開關(guān)G1S同步控制M2接通直到次級(jí)電流降至零（在 I1S上檢測(cè)），一旦次級(jí)電流降到零，次級(jí)開關(guān)G1S控制M2斷開，初級(jí)開關(guān)G1P重新控制M1接通，如此重復(fù)循環(huán)。這樣，CELL1多余的電荷即可從該單體逐漸轉(zhuǎn)移到需要電池的模塊中，達(dá)到單個(gè)電池放電的目的。對(duì)CELL2（整個(gè)電池組或者單體電池）充電過程與放電一樣。

圖2 變壓器雙向均衡模塊

2 電路仿真

仿真工具采用凌力爾特公司提供的模擬軟件LTspiceIV，仿真參數(shù)為：電池組由 6節(jié)電池串聯(lián)而成，MOSFET開關(guān)頻率為 5 kHz；檢測(cè)電阻 Rpri=Rsec=25 mΩ，變壓器匝數(shù)比為 1∶1；變壓器初、次級(jí)勵(lì)磁電感 Lm=30 μH；初級(jí)最大占空比 Dp=0.35；次級(jí)最大占空比 Ds=0.25。如圖3所示，上面為初級(jí)繞組電流達(dá)到2 A時(shí)（峰值電流），初級(jí) MOS關(guān)斷，在初級(jí) MOS關(guān)斷瞬間，次級(jí)MOS打開，能量從初級(jí)變壓器繞組轉(zhuǎn)移到次級(jí)變壓器繞組，當(dāng)次級(jí)繞組檢測(cè)到電流為零時(shí)，次級(jí)MOS關(guān)斷。這樣實(shí)現(xiàn)初級(jí)繞組與次級(jí)繞組能量的雙向傳遞，從而重復(fù)上述循環(huán)。通過圖3可知，仿真波形與理論分析一致，且由均衡電流大小可知，均衡系統(tǒng)具有速度快的特點(diǎn)，所以該方案具有可行性。

圖3 初、次級(jí)均衡脈沖電流

3 系統(tǒng)測(cè)試

實(shí)驗(yàn)采用的電池組額定總?cè)萘繛?.8 Ah，由8節(jié)磷酸鐵鋰電池串聯(lián)組成，單體額定電壓為3.6 V，單體額定容量為600 mAh，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。均衡前電壓如圖4所示，由上位機(jī)采集所得，其中標(biāo)號(hào)為Cell 14的電壓最高為3.474 V，標(biāo)號(hào)為Cell 10的電池電壓最低為3.287 V。經(jīng)過30 min靜態(tài)空載測(cè)試后，繪制成如圖5所示的坐標(biāo)圖，從中可以看出，各個(gè)單體電池的電壓趨于一致，所以該方案具有實(shí)用性。

圖4 上位機(jī)采集的均衡前電壓值

圖5 均衡前后電壓值

4 結(jié)束語

為了解決電動(dòng)汽車鋰電池成組后的不一致性，本文設(shè)計(jì)了雙向反激式變壓器均衡系統(tǒng)，采用了簡(jiǎn)單的雙繞組變壓器實(shí)現(xiàn)多個(gè)單體的雙向均衡，均衡電流高、速度快，減少了均衡時(shí)間。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，該均衡方案能夠?qū)⒛芰繌母唠妷旱膯误w向低電壓的單體轉(zhuǎn)移，使各個(gè)單體電壓趨于一致，達(dá)到均衡的效果，從而延長(zhǎng)了鋰電池組的使用壽命及確保其安全性，保障了電動(dòng)汽車的性能和安全。

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