電動(dòng)汽車(chē)鋰電池組主動(dòng)均衡系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王磊+徐彬

【摘 要】目前，電動(dòng)汽車(chē)車(chē)載動(dòng)力電池組普遍采用鋰電池組，為了減小鋰電池組單體電池之間的差異，從而增加鋰電池組的循環(huán)使用次數(shù)以及防止意外事故的發(fā)生，我們有必要設(shè)計(jì)有效的均衡系統(tǒng)來(lái)縮小單體電池間的差異性，從而保障電動(dòng)汽車(chē)能夠安全使用。在本文中，我們基于Buck-Boost電路原理設(shè)計(jì)了一種主動(dòng)均衡電路，讓電能從電壓高的單體轉(zhuǎn)移到電壓低的單體上，使各單體趨于一致，實(shí)現(xiàn)了單體電池間的均衡。最后，我們進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，采集了均衡前后的電壓，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明該均衡系統(tǒng)產(chǎn)生良好效果，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期功能。

【關(guān)鍵詞】鋰電池組；主動(dòng)均衡；Buck-Boost

與傳統(tǒng)汽車(chē)相比，電動(dòng)汽車(chē)具有很多優(yōu)點(diǎn)，比如：無(wú)污染，噪音小，效率高等，所以，這些年來(lái)電動(dòng)汽車(chē)得到大家的青睞，發(fā)展勢(shì)頭很迅猛，而動(dòng)力電池技術(shù)是約束電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展的一個(gè)瓶頸。單體電池之間工藝和性能在出廠時(shí)會(huì)存在些許差別[1]。在使用過(guò)程中這種差異會(huì)逐漸放大，可能導(dǎo)致過(guò)充電和過(guò)放電的情況[2]，這會(huì)對(duì)電池造成很大損傷，甚至可能導(dǎo)致爆炸引發(fā)安全事故，這必須要引起我們的注意。配備良好的均衡系統(tǒng)可以減小單體之間的差異性，有效的保證鋰電池組安全可靠的運(yùn)行。本文基于Buck-Boost電路原理設(shè)計(jì)了一種鋰電池組主動(dòng)均衡系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)單體電池之間的均衡，使單體性能趨于一致，增加了電池組的循環(huán)使用次數(shù)，保證了電池組的安全使用。

1 主動(dòng)均衡系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1.1 均衡控制策略

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，電池的電壓與荷電狀態(tài)具有相關(guān)性。由于電池的荷電狀態(tài)與眾多參數(shù)有關(guān)，要想準(zhǔn)確的得出荷電狀態(tài)的值比較困難。根據(jù)電池電壓與荷電狀態(tài)的相關(guān)性，我們可以根據(jù)單體的電壓值判別單體電池電量之間的差異性，從而決定是否需要進(jìn)行均衡。電池管理系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集單體的電壓，當(dāng)單體電池的電壓之間出現(xiàn)差異，并且超過(guò)設(shè)定范圍時(shí)，開(kāi)啟均衡電路，使得單體之間趨于一致性。

1.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

多個(gè)單體電池串聯(lián)構(gòu)成鋰電池組，電池管理系統(tǒng)電壓采集電路采集鋰電池組的各單體電池電壓，并通過(guò)總線傳送給均衡主控，主控模塊根據(jù)各單體電壓值采取相應(yīng)的策略控制均衡模塊組對(duì)單體進(jìn)行均衡[3]，使各單體趨于一致性。

1.3 均衡主電路

圖1所示的是均衡系統(tǒng)的主電路原理圖。圖中用 3 個(gè)鋰電池表述電路圖中的原理。

由圖可知，電路圖中采用的是非能耗型的主動(dòng)均衡方案，利用電感進(jìn)行儲(chǔ)能。圖中，各回路的電源、電感，場(chǎng)效應(yīng)晶體管和二極管等構(gòu)成一個(gè)典型的 Buck-Boost 電路。通過(guò)控制各均衡回路MOSFET 管的導(dǎo)通與關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)電能從電壓高單體通過(guò)變換轉(zhuǎn)移到電壓低單體，從而實(shí)現(xiàn)各單體電池之間的均衡。

1.4 均衡電路原理

在圖1所示的均衡控制電路中，我們選擇電池B1和B2之間的相互均衡來(lái)分析均衡電路具體的工作原理。二者相互均衡的等效電路圖如圖2所示。

在圖2中，當(dāng)電池B1需要向電池B2轉(zhuǎn)移能量時(shí)，脈沖信號(hào)使N1導(dǎo)通，P1斷開(kāi)，電池B1向電感L1傳輸能量，此時(shí)電感L1儲(chǔ)能；當(dāng)脈沖信號(hào)處于低電平時(shí)，N1關(guān)閉，由于電感L1中的電流I不能突變，所以此時(shí)電流I流向R1、C2和B2，電感L1向C2充電，再由C2向電池 B2充電，實(shí)現(xiàn)電能由電池B1向B2的轉(zhuǎn)移。

當(dāng)電池B2需要向電池B1能量轉(zhuǎn)移時(shí)，脈沖信號(hào)使P1導(dǎo)通，N1斷開(kāi)。當(dāng)P1導(dǎo)通時(shí)，電池B2向電感L1傳輸能量，L1儲(chǔ)能；當(dāng)P1斷開(kāi)時(shí)，由于電流I不能突變，故此時(shí)電流I流向了R1、C1和B1，從而對(duì)C1進(jìn)行充電，再由C1向B1充電，實(shí)現(xiàn)了電能從電池B2向B1的轉(zhuǎn)移。

2 實(shí)驗(yàn)與測(cè)試

為驗(yàn)證該主動(dòng)均衡方案能否實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能，我們?cè)陔姵亟M處于靜態(tài)的狀態(tài)下進(jìn)行了實(shí)際電路實(shí)驗(yàn)。電池組由12個(gè)鋰電池單體串聯(lián)構(gòu)成，均衡時(shí)間設(shè)定為30min。分別測(cè)量均衡前后單體電池電壓，發(fā)現(xiàn)均衡后的電壓值的極差和方差比均衡前減小很多，由此可見(jiàn)，均衡后各單體電池電壓一致性有明顯改善，說(shuō)明該電路的均衡效果優(yōu)良，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)功能和要求。

3 結(jié)論

結(jié)合現(xiàn)有均衡技術(shù)，本文基于Buck-Boost電路原理的設(shè)計(jì)了一種非能耗型主動(dòng)均衡系統(tǒng)，使得電能從電壓高的電池單體轉(zhuǎn)移到電壓低的電池單體上。由實(shí)驗(yàn)可以得出，該均衡系統(tǒng)能有效提高電池單體間的一致性，較好的達(dá)到均衡的效果，從而大幅增加動(dòng)力電池的循環(huán)使用次數(shù)，增加電動(dòng)汽車(chē)的單次行駛里程，提高了電池組的利用率[4]。

【參考文獻(xiàn)】

[1]王禮進(jìn)，張會(huì)生，翁史烈.內(nèi)重整固體氧化物燃料電池控制策略研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2008，28（20）：94-98.

[2]王海飛.電動(dòng)汽車(chē)電池組的監(jiān)測(cè)和均衡設(shè)計(jì)[D].南京航空航天大學(xué)，2013.

[3]何仕品，朱建新.鋰離子電池管理系統(tǒng)及其均衡模塊的設(shè)計(jì)與研究[J].汽車(chē)工程，2009，31（5）：444-447.

[4]姚京，詹昌輝，韓廷，等.車(chē)載動(dòng)力鋰電池組主動(dòng)均衡系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2015，41（1）：129-131.

[責(zé)任編輯：田吉捷]endprint