鋰離子電池均衡管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫 佳，胡 旦，王曉晨，付志超

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鋰離子電池均衡管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫 佳，胡 旦，王曉晨，付志超

(武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 460064)

串聯(lián)鋰電池之間存在一致性的問題，影響了鋰電池的性能和壽命，均衡管理是解決鋰電池一致性問題的有效方法。本文設(shè)計(jì)了一種均衡系統(tǒng)，并詳細(xì)介紹了該系統(tǒng)的控制策略、硬件和軟件設(shè)計(jì)。實(shí)踐表明該均衡系統(tǒng)在應(yīng)用中能夠滿足實(shí)際需求，可以有效的改善鋰電池的一致性問題。

鋰離子電池 一致性 均衡管理系統(tǒng)

0 引言

鋰離子電池因其能量密度高（質(zhì)量比能量達(dá)到120~200 Wh/kg，是常用蓄電池中能量密度最高的電池）、工作電壓高（磷酸鐵鋰電池標(biāo)稱電壓3.2V，錳酸鋰和鈷酸鋰電池高達(dá)3.6V）、自放電率低、充電效率高（充放電的庫(kù)倫效率可達(dá)100%）、循環(huán)壽命長(zhǎng)（可達(dá)1000次以上）、無記憶效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)被廣泛的應(yīng)在不同領(lǐng)域中[1]。但是單體鋰離子電池由于生產(chǎn)工藝的限制、使用工況和儲(chǔ)存狀況不盡完全相同會(huì)導(dǎo)致各單體電池間的不一致性。單體電池間的不一致性首先會(huì)降低電池組的最大可用容量和可用功率；其次在充放電時(shí)，容量較小的電池長(zhǎng)期處于深充深放的狀態(tài)，老化速度會(huì)加快，各單體電池間的不一致性會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大[2]。而解決單體電池間不一致性的有效方法就是對(duì)鋰離子電池進(jìn)行均衡管理。

本文設(shè)計(jì)的鋰離子電池均衡系統(tǒng)控制芯片采用TI公司的32位定點(diǎn)DSP芯片TMS320F2812，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)使用的是ADI公司16位高精度ADC芯片AD7606。對(duì)鋰離子電池的溫度、電壓等信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，分析各單體電池的狀態(tài)，控制芯片通過一定的均衡策略，啟動(dòng)均衡電路對(duì)鋰離子電池進(jìn)行均衡管理，改善電池組的不一致性問題。

1 均衡系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

鋰離子電池均衡系統(tǒng)通過采集單元來實(shí)時(shí)采集鋰電池模塊中各單體電池的電壓、溫度等參數(shù)信息，通過這些參數(shù)信息來分析各單體電池的狀態(tài)，進(jìn)而判斷各單體電池間的不一致性，然后啟動(dòng)均衡單元對(duì)不一致性顯著的單體電池進(jìn)行均衡管理，使得電池模塊中各單體電池的狀態(tài)盡可能的趨于一致。

鋰離子電池均衡系統(tǒng)采用集中管理與分布式監(jiān)控的“主-從”式架構(gòu)方案，均衡系統(tǒng)由一個(gè)主控單元和多個(gè)從控單元組成，每個(gè)電池模塊中包含一個(gè)從控單元、一個(gè)均衡單元和一個(gè)采集單元。均衡系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。

主控單元是均衡系統(tǒng)的管理控制中心，它通過CAN總線通信與從控單元、均衡單元和采集單元進(jìn)行協(xié)調(diào)控制管理。主控單元能夠集中處理電池模塊及各電池單體的電壓、電流、溫度、荷電狀態(tài)以及健康度等參數(shù)信息，通過RS485通信與上位機(jī)進(jìn)行信息交互，用于鋰離子電池狀態(tài)顯示和參數(shù)標(biāo)定。

從控單元主要對(duì)電池模塊的工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視以及根據(jù)總體需求對(duì)部分單體電池進(jìn)行均衡控制。它能夠?qū)崿F(xiàn)電池模塊內(nèi)阻計(jì)算、剩余電量監(jiān)測(cè)、荷電態(tài)估計(jì)和健康度預(yù)測(cè)等功能，也能夠?qū)崿F(xiàn)鋰電池模塊內(nèi)均衡控制。通過CAN通信網(wǎng)絡(luò)與主控單元進(jìn)行通信，將電池模塊的電壓、溫度、剩余電量、荷電態(tài)和健康度等狀態(tài)信息傳遞給主控單元。根據(jù)一致性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)來確定是否啟動(dòng)均衡單元對(duì)單體電池進(jìn)行均衡控制。

2均衡系統(tǒng)控制策略

均衡方案主要分為能量耗散式均衡和能量非耗散式均衡[3]。能量耗散式均衡主要通過給單體電池并聯(lián)旁路電阻，對(duì)電池組中能量較高的電池進(jìn)行放電耗能；能量非耗散式均衡則是通過能量轉(zhuǎn)換單元（電容、電感、變壓器）將能量從SOC較高的電池轉(zhuǎn)移至SOC較低的電池。目前，能量非耗散式均衡還停留在實(shí)驗(yàn)室階段，距離真正的商業(yè)化還有一定的距離。本文選用能量耗散式均衡方案，控制算法簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。

這時(shí)，從控單元啟動(dòng)均衡單元對(duì)第j個(gè)單體電池進(jìn)行均衡，當(dāng)經(jīng)過一定時(shí)間后，有：

(2)

將(3)式帶入(2)式，有：

(4)

化簡(jiǎn)得：

選擇合適的均衡電阻，使均衡過程產(chǎn)生的熱量引起的溫升在安全范圍以內(nèi)。

3 均衡系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

均衡系統(tǒng)的硬件主要包括主控制器、從控制器、電壓采樣電路、溫度采樣電路、能量耗散式均衡電路。這里詳細(xì)介紹電壓采樣電路、溫度采樣電路和能量耗散式均衡電路。

3.1 電壓采樣電路

采集單元的電壓采樣電路最多可以檢測(cè)12路單體電池電壓，12路電壓采樣通道相互隔離，這樣可以有效的保證電壓測(cè)量精度。電壓采樣電路采用分時(shí)復(fù)用技術(shù)，通過TMS320F2812的IO引腳電平來控制SN74HC154DW譯碼芯片的輸出，導(dǎo)通其中1路AQW214光耦，將相應(yīng)的差分電壓信號(hào)引入電路，然后將差分電壓信號(hào)送到運(yùn)放芯片AD620，AD620的增益設(shè)置為1，這樣AD620的輸出就是采樣到的單體電池電壓。電壓采樣電路如圖2所示。

3.2 溫度采樣電路

采集單元的溫度采樣電路最多可以檢測(cè)12路溫度信號(hào)。針對(duì)鋰離子電池包內(nèi)部電池單元空間小，溫度的測(cè)量要求精度高，溫度測(cè)量單元選用PT1000，溫度測(cè)量范圍-40～+85℃，當(dāng)溫度為0℃時(shí)，電阻值為1000±0.60Ω，當(dāng)溫度范圍在0～100℃時(shí)，電阻值變化為3.85 Ω/℃。電路設(shè)計(jì)時(shí)將PT1000與一個(gè)阻值1.8kΩ電阻串聯(lián)，加載一個(gè)直流5 V的電壓信號(hào)，將PT1000的電壓信號(hào)通過選通芯片CD4067送入放大器芯片INA128的輸入正端，INA128的輸入負(fù)端引入阻值為1 kΩ的參考電阻串聯(lián)1.8 kΩ電阻后在直流5V電壓下的分壓信號(hào)。INA128放大器芯片的增益設(shè)置為6，這樣可以更精確的測(cè)量到PT1000阻值變化時(shí)引起的電壓變化值，其輸出引腳連接AD7606的采樣輸入引腳。溫度采樣電路見圖3。

3.3 能量耗散式均衡電路

本文的均衡電阻設(shè)置為4.3Ω。當(dāng)均衡系統(tǒng)檢測(cè)到某一單體電池需要均衡時(shí)，導(dǎo)通對(duì)應(yīng)的開關(guān)。能量耗散式均衡電路如圖4所示。

4 均衡控制軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)均衡系統(tǒng)工作的流程，將均衡系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)分為兩個(gè)方面：信號(hào)采集流程設(shè)計(jì)和均衡流程的設(shè)計(jì)。

4.1 信號(hào)采集流程設(shè)計(jì)

采集單元負(fù)責(zé)采樣12路電壓信號(hào)和12路溫度信號(hào)，電壓信號(hào)和溫度信號(hào)依次輪詢采集。當(dāng)某一路電壓信號(hào)和溫度信號(hào)通道接通時(shí)，AD7606循環(huán)采樣10次，然后濾去最大值、最小值，取中間平均值。對(duì)采樣到的數(shù)值進(jìn)行變換，得到實(shí)際值。其流程圖如圖5所示。

4.2 均衡流程設(shè)計(jì)

采集單元采樣的電壓、溫度信息經(jīng)過DSP芯片內(nèi)部SOC算法處理后得到各單體電池的SOC值。如果某一單體電池的SOC值和所有電池SOC值平均值的差值大于，那么計(jì)算相應(yīng)的均衡時(shí)間并啟動(dòng)對(duì)應(yīng)的均衡電路，均衡流程圖如圖6所示。

5 結(jié)論

為了解決串聯(lián)鋰離子電池產(chǎn)生的不一致性問題，本文設(shè)計(jì)了一種鋰離子電池的均衡系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了均衡系統(tǒng)的控制策略、硬件和軟件設(shè)計(jì)。該均衡系統(tǒng)在應(yīng)用中能夠滿足實(shí)際需求，在一定程度上可以有效的改善鋰電池的不一致性問題。

[1] 李相哲，蘇芳，林道勇. 電動(dòng)汽車動(dòng)力電源系統(tǒng)[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011.

[2] 王震坡，孫逢春，林程. 不一致性對(duì)動(dòng)力電池組使用壽命影響分析[J]. 北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2006,26（7）：577-580.

[3] 譚曉軍. 電動(dòng)汽車動(dòng)力電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M]. 廣州：中山大學(xué)出版社，2011.

[4] 徐朝勝，閆改珍，李進(jìn)等. 具有均衡控制功能的鋰電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 電源技術(shù)，2013,37（6）：959-962.

Design of Lithium-ion Battery Equalization Management System

Sun Jia, Hu Dan, Wang Xiaochen, Fu Zhichao

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 460064, China)

Due to the existence of inconsistency, the performance and life-span of series-connected lithium-ion batteries are limited, the equalization management is an effective method to solve the consistency of lithium-ion batteries. An equalization system is designed in this paper, and the equalization strategy, equalization circuit and software are introduced in detail. The practice shows that the equalization system can meet the actual needs and improve the consistency of the lithium-ion batteries.

lithium-ion battery; consistency; equalization management system

TM911

A

1003-4862（2017）01-0013-04

2016-08-15

孫佳(1989-)，男，助理工程師。研究方向：鋰電池、超級(jí)電容器等新能源的管理控制系統(tǒng)。Email:sunjia1989@126.com