大容量鋰離子電池組的高效均衡電路設(shè)計分析

夏來功

（廣東國光電子有限公司，廣東廣州，510800）

1 鋰離子電池組的均衡系統(tǒng)的現(xiàn)狀分析

目前工業(yè)界最常用的方法仍然是早期的分流電阻法，這種方法效率較低但是簡單可靠，很多公司也為此開發(fā)了專用的芯片，目前比較流行的是Intersil公司生產(chǎn)的ISL9208/16/17系列產(chǎn)品，已經(jīng)可以做到最多12節(jié)中小容量單體鋰離子電池串聯(lián)。相比這些現(xiàn)有基于單芯片的管理系統(tǒng)，大容量鋰離子電池有如下特點(diǎn)：首先，大容量的單體鋰離子電池成本比較高，對均衡的效率和精度要求比較高，如果電池組壽命與自身價格不能相稱，將極大地限制其自身的推廣和發(fā)展；其次，大容量鋰離子電池由于自身容量大，如果均衡電流太小則效率低下，以20Ah的單體鋰離子電池為例，充電電流在3～5A，均衡電流要求1～2A，而ISL9208系列的自帶均衡電流最大只有200mA；最后，均衡電流的增大，能量消耗型均衡已經(jīng)不適用，大電流下的能量消耗以及產(chǎn)生的高熱都會造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。

2 均衡電路的拓?fù)溥x擇

對于非能量消耗型均衡，基本原理是將能量從電壓高的電池轉(zhuǎn)移到相鄰電壓較低的電池上。一般電路拓?fù)渲饕捎玫氖荁uck-Boost結(jié)構(gòu)左所示)，該結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)簡單效率適中，但是在運(yùn)行過程中為保持其工作在DCM狀態(tài)，控制MOS-FET的PWM波占空比要小于50%，因此能量的轉(zhuǎn)移只能在DT(D為占空比，T為開關(guān)周期)內(nèi)進(jìn)行。Buck-Boost結(jié)構(gòu)的輸入/輸出電流是不連續(xù)的，在某些對電流有要求的場合是不適用的?；陂_關(guān)型控制的思路，本文采用的是另一種開關(guān)型拓?fù)洹狢uk結(jié)構(gòu)，Cuk型結(jié)構(gòu)的電路在DT和(1-D)T都可以進(jìn)行均衡，PWM波占空比不受DCM限制，基本結(jié)構(gòu)雖然比Buck-Boost略復(fù)雜，但能量轉(zhuǎn)移效率高，均衡時間短。另外，Buck-Boost結(jié)構(gòu)的開關(guān)電流是脈動的，因此一般都需要附加一個輸入/ 輸出低通濾波器，而Cuk結(jié)構(gòu)自身的L1、C1就已經(jīng)起了這個作用，相比之下Cuk結(jié)構(gòu)與Buck-Boost結(jié)構(gòu)整體電路復(fù)雜程度相差不大。

3 均衡電路工作原理

主干電路由S1、S2、L1、L2和C1組成，設(shè)S1導(dǎo)通周期為Ton，周期為T，占空比D=Ton/T，由MCU產(chǎn)生PWM波來控制S1、S2的通斷。假設(shè)MCU檢測到VB1＞VB2，則B1要向B2轉(zhuǎn)移能量，MCU 向 S1發(fā)送 PWM信號，S2保持關(guān)斷。此時均衡電路進(jìn)入工作狀態(tài)。(1)在Ton期間，S1導(dǎo)通，把能量輸入環(huán)路閉合。此時B1分流出的電流I1使L1儲能，電容C1放電I2，使L2儲能并向B2充能。(2)在Toff期間，S1斷開，把能量輸出環(huán)路閉合。此時B1的電流和L1的釋能電流I1使C1儲能，同時L2釋能電流I2向B2充。由此可知，S1無論在Ton還是off，B1都在向B2轉(zhuǎn)移能量，體現(xiàn)了Cuk拓?fù)涞母咝剩娙軨1是能量轉(zhuǎn)移的載體，在整個周期T中輸入輸出都是持續(xù)電流。反之，若MCU檢測到VB2＞VB1，則向S2發(fā)送PWM信號，S1保持關(guān)斷，B向B1轉(zhuǎn)移能量。

4 控制電路

設(shè)計以單片機(jī)P87LPC768為核心。P87LPC7XX系列是Philips公司生產(chǎn)的基于80C51加速處理器結(jié)構(gòu)的小型OTP單片機(jī)，性能是標(biāo)準(zhǔn)80C51MCU的兩倍，并且價格低廉，易于成本控制。P87LPC768內(nèi)部集成了4KB的OTP程序存儲器，可編程的I/O端口，4通道多路8位A/D轉(zhuǎn)換器，2個模擬比較器和4通道10位PWM，且支持外部時鐘輸入。因此，直接使用單片機(jī)自帶的模擬比較器和PWM很方便。將相鄰兩塊電池的電壓輸出到單片機(jī)的比較器輸入端，根據(jù)判斷結(jié)果選擇對MOSFET開關(guān)進(jìn)行控制，通過設(shè)置單片機(jī)內(nèi)部存儲器的值控制輸出的PWM波形頻率和占空比，從而實(shí)現(xiàn)對電池的均衡控制。均衡策略：因?yàn)槭褂昧藛纹瑱C(jī)，所以可做到實(shí)時的監(jiān)測，將均衡電壓設(shè)置為50mV，即相鄰電池間電壓差大于50mV則開啟均衡。通過軟件設(shè)置MCU周期性的檢測兩相鄰電池的壓差值，然后將差值取絕對值與設(shè)定的均衡電壓相比較，并根據(jù)差值的符號判斷向哪個開關(guān)輸出PW控制波，直到電壓差小于50m V則均衡停止。

5 仿真分析

本文針對的主要是20AH/3.7V的單體鋰離子電池，充電電流設(shè)定為4A。以3節(jié)電池組為例，用SABER2004進(jìn)行仿真分析，單體電池用電容串聯(lián)小電阻等效(鋰離子電池的內(nèi)阻較大有幾十毫歐左右)，開關(guān)頻率f=20kHz，占空比D=0.5。由仿真波形可以看到,均衡電路基本能實(shí)現(xiàn)單體電池之間的電壓均衡，最終達(dá)到個單體的電壓一致，說明方案是可行的。

6 結(jié)束語

本文以功率可雙向流動的Cuk變換器，通過單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了大容量單體鋰離子電池的高效電壓均衡。在實(shí)際應(yīng)用中，作為能量轉(zhuǎn)移載體的電容需要耐受較大的紋波電流，成本較高，這個是Cuk拓?fù)渥陨肀容^大的局限性，可以加入磁路結(jié)構(gòu)以降低紋波電流，整體電路要復(fù)雜一些。