鋰離子電池組在線均衡系統(tǒng)設(shè)計

龔敏明，王占國，馬澤宇，林思岐，鄭林鋒

(北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，北京100044)

鋰離子電池組在線均衡系統(tǒng)設(shè)計

龔敏明，王占國，馬澤宇，林思岐，鄭林鋒

(北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，北京100044)

分析鋰離子電池組不一致性產(chǎn)生的原因，闡述了電池組均衡的意義。在分析現(xiàn)有均衡電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出一種3 A電流充電均衡電路，完成了電池組在線均衡系統(tǒng)硬件電路設(shè)計。以電池組容量利用最大化為均衡目標(biāo)，提出了電池組在線均衡控制策略。最后搭建電池組均衡測試平臺實驗驗證了在線均衡系統(tǒng)及控制策略的可行性和可靠性。

鋰離子電池；電池一致性；充電均衡電路；在線均衡策略

動力鋰離子電池作為電動汽車的能量來源或儲能系統(tǒng)能量儲存載體時，往往需要通過串并聯(lián)成組以滿足系統(tǒng)電壓、功率和能量需求。然而電池成組后由于電池間不一致性問題的出現(xiàn)，整組性能將差于組內(nèi)單體電池性能總和。不一致性問題產(chǎn)生的原因主要可以分為兩大類：(1)初始性能的不一致性，由于電池生產(chǎn)過程存在工藝和材質(zhì)的差異，造成電池在初始容量、直流內(nèi)阻、自放電率和充放電效率等性能存在差異[1]。(2)成組使用過程的不一致性，一方面是電池初始性能的差異性在使用過程逐漸累積和放大，另一方面是電池使用環(huán)境(溫度和通風(fēng)條件等)存在差異，導(dǎo)致各電池以不同速率衰退[2]。隨時間的推移，電池組不一致性問題加劇，將會嚴(yán)重影響電池組可用容量、使用壽命和可靠性。電池組均衡技術(shù)作為解決電池組不一致性問題的主要手段，對電池成組使用有著重要的意義。

目前電池組均衡方案比較多，文獻(xiàn)[3]提出能耗型均衡方案，該方案由電池旁路開關(guān)管串聯(lián)放電電阻組成，當(dāng)單體電池不一致電壓達(dá)到一定值時，通過開關(guān)管控制放電旁路來控制均衡容量，結(jié)構(gòu)控制簡單，但均衡電流較小。文獻(xiàn)[4]提出開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)均衡電路，通過開關(guān)控制，利用電容儲能，將能量從電壓高的單體轉(zhuǎn)移到電壓低的單體上，從而實現(xiàn)電池組內(nèi)單體電池電壓的均衡，該方案控制復(fù)雜，極有可能產(chǎn)生浪涌電流。文獻(xiàn)[5]提出變壓器能量轉(zhuǎn)換均衡電路，利用一個多副邊繞組變壓器將電池組的能量轉(zhuǎn)移到電壓最低的電池，均衡效率較高，但是副邊繞組多體積大。文獻(xiàn)[6]提出基于Buck-Boost的均衡電路，每節(jié)電池配有專門的Buck-Boost電路，單體電池能量能夠通過Buck-Boost電路釋放到電池組，該方法容易實現(xiàn)均衡，但隨著電池數(shù)量增加，開關(guān)管和二極管數(shù)量增加，不適合電池數(shù)量多的場合。

根據(jù)以往車載電池管理系統(tǒng)的開發(fā)經(jīng)驗，本文設(shè)計了一種適用于大容量動力鋰離子電池的高可靠性且可擴(kuò)展的電池組在線均衡系統(tǒng)，并搭建電池組均衡測試平臺驗證了在線均衡系統(tǒng)及控制策略的可行性和可靠性。

1 電池組在線均衡系統(tǒng)

本文采用模塊化的設(shè)計思路，系統(tǒng)整體框架采用主從結(jié)構(gòu)，由一個電池管理主控器和多個均衡從控器組成，如圖1所示。電池管理主控制器主要功能是收集各個均衡從控器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行均衡與否判斷，并下發(fā)指令控制均衡從控器執(zhí)行均衡，同時完成與上層控制器(電動汽車中整車控制器或電池儲能系統(tǒng)中PCS)之間的通信。均衡從控器主要完成電池箱內(nèi)電池信息的采集和均衡所需容量的計算與均衡執(zhí)行功能。

均衡電路作為實現(xiàn)均衡的硬件載體，直接關(guān)系到均衡執(zhí)行的效果。目前均衡電路拓?fù)湫问截S富多樣，主要分為耗散式與非耗散式兩大類[3-7]。耗散式實現(xiàn)簡單、成本低，但存在能量浪費、散熱處理和均衡時間長等問題。本文采用非耗散式的充電均衡電路，均衡電路也采用模塊化設(shè)計，每個均衡從控器可以根據(jù)電池串聯(lián)數(shù)配置均衡電路模塊數(shù)，均衡電路拓?fù)淙鐖D2所示。

圖1 電池組在線均衡系統(tǒng)

圖2 均衡電路拓?fù)?/p>

電池組單體電池的均衡通道切換由MOSFET開關(guān)陣列的電路結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，每個單體電池的正負(fù)極分別與一個由兩個MOSFET反串聯(lián)共驅(qū)動而構(gòu)成的開關(guān)連接，稱為單體切換開關(guān)(cell switch,CSW)。單體切換開關(guān)需要采用兩個MOSFET反串聯(lián)的原因是，假設(shè)CSW為單個MOSFET，當(dāng)電池5切入時(CSW4和CSW5導(dǎo)通)，由于MOSFET本身存在的寄生二極管，則會形成圖2中紅色實線的回路，造成batt4與batt5的串聯(lián)短路，而這種回路情況同樣會發(fā)生在其他電池上。

圖2中節(jié)點ODD、EVEN為經(jīng)過單體切換開關(guān)后的輸出，通過合理的開關(guān)邏輯控制，使得ODD到EVEN間的電壓為某只單體電池的電壓 (可能是正電壓，亦或是負(fù)電壓)。ODD、EVEN和3 A恒流源之間的正負(fù)極性的切換，可以通過4個MOSFET構(gòu)成全控的全橋電路實現(xiàn)，將這4個MOSFET稱為極性切換開關(guān)(polarity switch,PSW)。

2 均衡電路設(shè)計

均衡電路整體結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示，主要由以下模塊構(gòu)成：電池均衡回路、均衡驅(qū)動控制、電壓檢測、主控CPU模塊、串口232通訊以及CAN通訊。其中粉色粗線代表3A電流可能流經(jīng)的回路，而黑色細(xì)線則為電壓模擬信號線或數(shù)字控制信號線。該方案CPU選用了飛思卡爾48管腳8位芯片MC9S08DZ48，足以滿足電路運算需求。為配合主動均衡控制芯片EMB1428的使用，均衡電路針對14只串聯(lián)電池，以7只電池為一組，每一組對應(yīng)圖3中的粉色均衡回路(圖3中僅畫出一組電池均衡回路)。電壓檢測AD輸入是電平移位芯片EMB1432的輸出，而EMB1432的輸入取自CSW前端。

圖3 均衡電路結(jié)構(gòu)框圖

2.1 功率MOSFET選擇

均衡電路的設(shè)計要求能夠驅(qū)動開關(guān)陣列中所有的MOSFET，因此電路需要產(chǎn)生多路驅(qū)動電壓，要求輸出驅(qū)動電壓值約為10 V。圖2中各個切換開關(guān)的驅(qū)動電壓VGS都是相互獨立的，它們之間的驅(qū)動信號都不是共地的，因此需要各驅(qū)動信號間必定需要有一定的電位差。

均衡電路有2組均衡模塊，因此MOS管承受的漏-源電壓VDS的最大可能值是一組均衡回路中7只電池的串聯(lián)電壓，故考慮極限值為29.4 V(考慮錳酸鋰單體電壓上限為4.2 V)。因而，所選的MOS管漏-源擊穿電壓V(BR)DS至少為40 V。均衡時，MOS管將長期處于導(dǎo)通狀態(tài)，因而其功率損耗主要取決于導(dǎo)通阻抗。因此在電流參數(shù)滿足的情況下，盡量選擇低阻值的MOS管。

為了避免造成電池之間的短路問題，電路設(shè)計需要明確MOS管導(dǎo)通和關(guān)斷的時間。根據(jù)EMB1428芯片資料，當(dāng)兩個MOS管反串聯(lián)時，它們的輸入電容若為5 nF時，MOS管開通時間為316 μs，關(guān)斷時間約為307 μs，此時EMB1428切換電池時，不會造成電池間的短路現(xiàn)象。因此要求兩個MOS管反串聯(lián)后的整體輸入電容小于5 nF，即單一MOS管的輸入電容小于2.5 nF。最終所選擇的MOS管為英飛凌公司的IPG20-N06S2L-35，集成2個MOSFET管于一個封裝內(nèi)的芯片。單個MOSFET的V(BR)DS為55 V，最大漏極電流IDM為20 A，通態(tài)電阻RDS(on)為35 mΩ，輸入電容Ciss為790 pF。

2.2 功率MOSFET開關(guān)陣列驅(qū)動電路

EMB1428是一個MOS開關(guān)矩陣門驅(qū)動集成芯片，用于驅(qū)動MOSFET開關(guān)陣列。該芯片能夠提供12路MOSFET門驅(qū)動電壓，其中包括8路單體切換開關(guān)(CSW)和4路極性切換開關(guān)(PSW)，可用于控制7串電池的均衡。EMB1428對CSW和PSW的控制有固定邏輯，主控模塊CPU只需通過SPI發(fā)送均衡某只電池的命令，無需控制驅(qū)動電壓的輸出。芯片與CPU的通訊方式是4線制的SPI(Serial Peripheral Interface)通訊(即時鐘CLK、芯片使能CS、輸出SDO和輸入SDI)。

EMB1428為了保證驅(qū)動最靠近電池總正的CSW和PSW，要求這些開關(guān)驅(qū)動電壓的電位至少高于整組電池12 V。因此EMB1428需要獲得一個高于Vstack(約為24 V)的參考電位VDDCP。該點電位通過一個二級倍壓電路實現(xiàn)，主要包括軟啟動發(fā)生器、時鐘水平移位、輸出驅(qū)動器以及欠壓鎖定輸出(UVLO,under voltage lock out)。該電路產(chǎn)生一個浮起電壓，Vstack到VDDCP間壓差在無載情況下為(2×VDDCP-3×Vdiode)，VDDCP是芯片工作12 V電壓，故VDDCP比Vstack約高24 V。

2.3 電壓檢測電路

電壓檢測電路結(jié)構(gòu)圖如圖4所示，14個單體電池經(jīng)過低通RC濾波后，輸入到EMB1432模擬前端，通過SPI命令控制具體輸出的電池單體電壓EMB1432輸出經(jīng)過分壓電阻后，接A/D檢測。

圖4 電壓檢測電路原理圖

該電路將所有電池電壓集中接入EMB1432，替代了常用于切換單體電池的光控MOS管。光控MOS管導(dǎo)通的電阻受實際溫度影響較大，而且即使是性能較好的光控MOS管(如AQW212)導(dǎo)通阻值也達(dá)到了歐姆級別，導(dǎo)通內(nèi)阻的變化使得電阻分壓后輸入AD的電壓值發(fā)生變化，從而導(dǎo)致誤差產(chǎn)生。

3 均衡控制策略

目前實際應(yīng)用的在線均衡策略往往采取從簡處理方式，僅以外電壓作為控制對象，而外電壓受多個因素的影響，單純以外電壓來判斷均衡與否會出現(xiàn)不穩(wěn)定的結(jié)果，同時均衡前后電池組容量利用率并沒有明顯的增加[8-9]。電池組一致性問題對電池組性能影響的最直觀表現(xiàn)是電池組的可用容量降低，以電池組容量利用率最大化為均衡目標(biāo)才能從本質(zhì)上解決電池組一致性問題。

從電池的SOC定義可知，電池的最大可用容量Qmax可以通過下式計算[10]：

式中：ΔQ可以在線累積計算，若能得到電池充放電中起始SOCini和結(jié)束SOCend，就能實現(xiàn)最大可用容量Qmax在線估算。為達(dá)到更好的估算精度，選擇充電開始前和充電結(jié)束后兩個時刻估算電池SOC。這樣選擇，一方面起始和結(jié)束ΔSOC變化最大；另一方面識別SOC的時刻也經(jīng)常性出現(xiàn)，且每次識別的時刻都一致。

電池管理主控器進(jìn)行均衡與否判斷并下發(fā)相應(yīng)指令的流程圖如圖5所示，在線均衡系統(tǒng)只在電池充電過程進(jìn)行均衡，如果已經(jīng)經(jīng)過一次充電過程并且對電池組進(jìn)行了均衡容量計算，則在充電開始后，按照計算結(jié)果對相應(yīng)的電池進(jìn)行均衡處理。同時，在本次充電結(jié)束時，再次對電池組進(jìn)行均衡判斷和所需均衡容量計算用于下次均衡。均衡電路執(zhí)行均衡的流程圖如圖6所示，均衡從控器接收主控器的命令執(zhí)行均衡過程，從控器各均衡模塊確定所需均衡容量最大的電池，以設(shè)定的閥值為一個單位完成電池的充電均衡，同時在均衡過程中不斷更新存儲所需均衡容量。

圖5 電池管理主控器均衡判斷流程圖

圖6 均衡電路執(zhí)行均衡流程圖

4 電池組均衡實驗

電池組均衡實驗平臺如圖7所示，實驗平臺主要包括：Arbin公司電池組測試設(shè)備、車用淘汰錳酸鋰電池組、電池組在線均衡系統(tǒng)以及PC監(jiān)控系統(tǒng)。電池組測試設(shè)備主要實現(xiàn)電池組充放電循環(huán)實驗，通過TCP/IP將充放電數(shù)據(jù)上傳到PC監(jiān)控系統(tǒng)。各電池模塊實際容量參數(shù)如表1所示。在線均衡系統(tǒng)選擇一主一從的方式，BMS均衡板有兩個均衡電路模塊，分別管理7節(jié)電池。

圖7 電池組均衡實驗平臺

表1 電池組各電池模塊容量參數(shù)

理想情況下，電池組最大可用容量為182.5 Ah。對電池組進(jìn)行充放電測試，以1/3C將電池組恒流充電至單體達(dá)到4.2 V后，恒最高單體電池電壓直至充電電流小于10 A，靜置1 h后，以1/3C恒流放電至最低單體電池電壓達(dá)到3 V。電池組充電和靜置過程各電池模塊的電壓變化曲線如圖8所示。

圖8 均衡前電池組充電和靜置過程單體電壓曲線

由于充電前，各電池模塊的SOC不同以及本身容量和內(nèi)阻較大的差異導(dǎo)致充電過程中各模塊電池電壓出現(xiàn)較大的離散型。電池組以1/3C恒流放電容量為138 Ah，比電池模塊容量最小值還要小，電池組的容量利用率才75.6%。

加入在線均衡系統(tǒng)后對電池組進(jìn)行充放電循環(huán)實驗，均衡后電池組充電和靜置過程各電池模塊電壓變化曲線如圖9所示。可以看出，電池組均衡效果顯著，各電池模塊電壓一致性明顯改善，同時，電池組以1/3C恒流放電容量增加至172 Ah，電池組的容量利用率提高了18.6%。

圖9 均衡后電池組充電和靜置過程單體電壓曲線

5 結(jié)論

由于電池組不均衡問題的存在，串聯(lián)成組電池在可用容量、輸出功率和使用壽命等方面都比不上單體電池的累積效果，一致性使得電池成組后的使用更加復(fù)雜。電池組均衡技術(shù)作為解決電池組不一致性問題的主要手段，對電池的成組使用有著重要的意義。本文在分析現(xiàn)有均衡拓?fù)涞幕A(chǔ)上，提出了一種3 A充電電流的均衡電路拓?fù)?，并完成均衡系統(tǒng)硬件電路設(shè)計。基于電池組容量利用最大化，提出均衡控制策略，最后搭建電池組均衡測試平臺實驗驗證了在線均衡系統(tǒng)及控制策略的可行性和可靠性。

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Design of online equilibrium system for lithium-ion battery pack

Based on the analysis of the causes of lithium-ion battery pack,the meaning of battery equilibrium was discussed.According to the analysis of current equalization circuit,a charging equalization circuit with 3 A current was proposed.Then the online equilibrium system for lithium-ion battery pack was designed.In order to maximize the use of battery pack capacity,an online equilibrium control strategy was put forward.The battery pack charging equalization circuit and balancing test platform were built.Then the feasibility and reliability of the online equilibrium system and its control strategy were tested and verified.

lithium-ion battery;consistency of batteries;charging equalization circuit;online equilibrium strategy＊

TM 912

A

1002-087 X(2016)03-0539-04

2015-08-12

國家“863”計劃資助項目(2011AA05A108)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費資助項目(2013YJS087)

龔敏明(1973—)，男，江西省人，高級工程師，主要研究方向為電動汽車動力電池管理技術(shù)。

馬澤宇，E-mail:11117374@bjtu.edu.cn