一種用于鋰離子蓄電池組的主動均衡電路設(shè)計

趙旺彬 黃軍 陳海濤

(上?？臻g電源研究所，上海 200245)

鋰離子蓄電池因其具有的高比能量、高電壓、低的自放電率等優(yōu)點，得到了越來越廣泛的應(yīng)用，已成為在鎘鎳蓄電池、氫鎳蓄電池以后的第三代空間儲能電源。由于鋰離子蓄電池組不能過充或過放，使用過程中若不進行均衡控制，隨著充放電循環(huán)次數(shù)增多，各電池單體電壓會出現(xiàn)分化，極大地縮減電池組的使用壽命[1-2]。因此，鋰離子蓄電池組在使用過程中，需要對各電池單體進行電壓均衡處理，均衡方式主要包括被動均衡和主動均衡。其中，被動均衡多采用電池單體并聯(lián)電阻進行分流，控制簡單，已廣泛用于空間鋰離子蓄電池組均衡，但隨著衛(wèi)星所使用蓄電池組容量不斷增大，要求增大均衡電流，將給均衡電路散熱帶來問題[3-4]。主動均衡通過電容、電感等儲能元件實現(xiàn)能量從高壓單體往低壓單體或整組電池轉(zhuǎn)移，可實現(xiàn)大電流均衡，且能量損耗小，非常適合于衛(wèi)星大容量鋰離子蓄電池組的均衡。常用的主動均衡電路包括電容均衡[5-6]、電感均衡[7]等。電容均衡隨著各個電池單體之間電壓差值的減小，均衡速度越來越慢，電感均衡需要能量的多次傳輸，并且均衡策略復(fù)雜。國外已經(jīng)實現(xiàn)主動均衡在地球靜止軌道(GEO)和低地球軌道(LEO)衛(wèi)星上應(yīng)用[8]，國內(nèi)也對空間用主動均衡技術(shù)進行了研究，文獻[2]和文獻[8]介紹了一種鋰離子電池非耗散型均衡方法，該方法控制簡單，通過變壓器實現(xiàn)均衡，但其均衡完后仍然存在10 mA左右的電池放電電流，不利于空間鋰離子蓄電池組長壽命管理要求，且每節(jié)電池均衡單元使用獨立變壓器，無法實現(xiàn)集成優(yōu)化?？紤]到空間鋰離子蓄電池組應(yīng)用環(huán)境特殊，其均衡電路控制方式設(shè)計及元器件選用須考慮較多限制因素，客觀上增加了主動均衡電路設(shè)計難度。因此，衛(wèi)星大容量鋰離子蓄電池組主動均衡技術(shù)引起了越來越多的關(guān)注。

綜上所述，為了解決大容量鋰離子蓄電池組均衡面臨的快速均衡、電路可靠設(shè)計等難題，本文提出基于多繞組DC/DC變換技術(shù)和金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效管(MOSFET)的主動均衡電路，相比傳統(tǒng)被動均衡方法，可以實現(xiàn)更大電流均衡，且電路損耗更小，有利于均衡電路散熱設(shè)計并節(jié)省空間有限能量，從而確保衛(wèi)星大容量鋰離子蓄電池組在軌安全工作。

1 多繞組變壓器主動均衡原理

為了實現(xiàn)大容量鋰離子蓄電池組單體之間的能量均衡，本文提出了一種基于多繞組DC/DC變換器的主動均衡電路，其特點在于利用多繞組變壓器反激變換原理，實現(xiàn)電池組和單體之間能量的轉(zhuǎn)移。圖1給出了基于多繞組DC/DC變換器的主動均衡原理，通過合理設(shè)計，應(yīng)用多個DC/DC變換器單元可實現(xiàn)對鋰離子電池組能量的轉(zhuǎn)移。如圖1(a)所示，CELLn代表第n節(jié)單體電池，多繞組DC/DC變換器的一邊與6節(jié)電池分別連接，另一邊與相對應(yīng)的12串聯(lián)電池組連接，其中一個變換器對應(yīng)一個均衡模塊，每兩個相鄰的均衡模塊副邊有6節(jié)公用電池單體，實現(xiàn)鋰電池組所有均衡模塊的聯(lián)系。該均衡電路可以實現(xiàn)對不同模塊內(nèi)的多個電池單體同時均衡，以及多個均衡模塊的級聯(lián)，從而方便蓄電池組更大規(guī)模串聯(lián)使用。所有的均衡模塊可以同時進行均衡，這對均衡速度要求高的大容量鋰離子蓄電池組非常有利。

圖1 主動均衡原理Fig.1 Active balance principle

如圖1(b)所示，多繞組DC/DC變換器設(shè)計成反激變壓器，Qn代表第n個開關(guān)管，D1為電路中串聯(lián)的二極管，T1為一個多繞組變壓器，CELL-n對應(yīng)第n節(jié)電池的負極，CELL+n+1對應(yīng)第n+1節(jié)電池的正極。定義連接電池單體一側(cè)為變壓器的原邊，連接電池組的一側(cè)為變壓器的副邊，變壓器原邊具有7個繞組，前6個繞組對應(yīng)6節(jié)電池，測量端繞組用于進行均衡電流采樣反饋，實現(xiàn)均衡開關(guān)過流保護，某單體電池均衡過程中，當(dāng)檢測到測量端繞組電流峰值過大時，關(guān)閉對應(yīng)的MOSFET。變壓器副邊具有一個繞組，該繞組連接12節(jié)電池。定義上述多繞組DC/DC變換器為1個均衡模塊，且可通過多個多繞組反激變壓器串聯(lián)，從而實現(xiàn)對均衡蓄電池組串?dāng)?shù)擴展。圖1中，每個多繞組變壓器的副邊繞組都串聯(lián)了一個二極管，實現(xiàn)副邊繞組對整組電池組的充電續(xù)流。

大容量鋰離子電池組在充電過程中，如果中央處理器(CPU)檢測到某個電池單體的電壓大于均衡閾值，則CPU產(chǎn)生固定占空比的脈沖寬度調(diào)制(PWM)信號，控制并聯(lián)在該電池單體上的均衡變壓器的原邊開關(guān)電路中的開關(guān)，以固定占空比工作，等效均衡示意如圖2所示。以電池單體CELL1為例，開關(guān)管導(dǎo)通期間，電池單體CELL1對均衡變壓器原邊繞組放電，原邊勵磁電感存儲能量，圖2(a)中紅色線條表示單體電池CELL1放電電流流向；開關(guān)管關(guān)斷期間，均衡變壓器副邊繞組通過二極管續(xù)流給對應(yīng)的鋰離子電池組(12節(jié)電池單體)充電，圖2(b)中紅色線條表示對電池組充電電流流向，如此循環(huán)，可以快速實現(xiàn)高電壓失衡單體的均衡。均衡電流波形如圖3所示，其中Ton為變壓器原邊導(dǎo)通時間，Toff為變壓器副邊導(dǎo)通時間，變壓器工作在斷續(xù)模式，可以通過調(diào)節(jié)占空比的大小控制最大均衡電流。

圖3中的Ton為8.57 μs，Toff為0.8 μs，變壓器原邊峰值電流Ipri-peak為10 A，變壓器副邊峰值電流Isec-peak為10 A。

圖2 均衡過程示意圖Fig.2 Balance process diagram

圖3 均衡變壓器原、副邊電流

2 多繞組變壓器主動均衡電路設(shè)計

基于多繞組DC/DC變換器主動均衡原理，考慮聯(lián)蓄電池組的單體電壓采樣、均衡策略控制、隔離驅(qū)動等功能單元，設(shè)計了圖4所示的主動均衡系統(tǒng)。在電池主動均衡過程中，模數(shù)轉(zhuǎn)換器(AD)采樣到每節(jié)電池電壓，所有數(shù)據(jù)在CPU中處理，CPU負責(zé)將電池電壓與均衡閾值進行檢測比較，根據(jù)均衡控制算法，產(chǎn)生相應(yīng)的PWM驅(qū)動信號，驅(qū)動某節(jié)電池上并聯(lián)的MOSFET，直到所有電池電壓的差值在均衡閾值范圍內(nèi)。

圖4 主動均衡系統(tǒng)圖Fig.4 Active balance system

均衡電路可以分為功率電路和控制電路，功率電路由電池組單元、均衡模塊組成，其中均衡模塊包含均衡變壓器、MOSFET、二極管，功率模塊可以實現(xiàn)擴展，每節(jié)電池通過開關(guān)管與蓄電池組串聯(lián)，采用固定占空比控制方式，實現(xiàn)對電池電壓偏大的電池單體放電。控制電路包括CPU控制單元、AD采樣單元，每節(jié)電池電壓信號經(jīng)過一階低通濾波器進入到AD采樣中，所有電池單體電壓的AD采樣信號經(jīng)過處理進入CPU，通過CPU內(nèi)部的均衡算法實現(xiàn)電池組的均衡控制，開關(guān)管的開關(guān)周期與均衡變壓器電流峰值的關(guān)系如下。

(1)

式中：TS為開關(guān)周期，Ton為開關(guān)導(dǎo)通時間，Toff為開關(guān)關(guān)斷時間，Lpri為原邊勵磁電感，Ipri-peak為原邊電流峰值，Ubat為電池單體電壓，Lsec為副邊勵磁電感，Isec-peak為副邊峰值電流，Uoff為串聯(lián)電池單體的總電壓。

均衡變壓器設(shè)計是否合理關(guān)系到均衡系統(tǒng)的工作性能，因此要對變壓器參數(shù)進行合理設(shè)計。在電池組充電過程中，均衡系統(tǒng)一旦監(jiān)測到某個單體電壓過高，即啟動對應(yīng)均衡開關(guān)對其放電，可得到均衡變壓器初級側(cè)電池單體放電的平均電流為

(2)

式中：m為串聯(lián)的電池單體數(shù)目，k為變壓器原邊與副邊的匝數(shù)比。

同理能夠得到均衡變壓器副邊電池組充電平均電流為

(3)

對式(1)～(3)進行分析，可以得出：采用固定占空比控制方式，均衡平均電流只和變壓器原副邊匝數(shù)比、電池串?dāng)?shù)以及電流峰值有關(guān)。

根據(jù)上述物理量關(guān)系，結(jié)合任務(wù)實際要求可計算得到均衡變壓器的設(shè)計參數(shù)，從而為多繞組均衡變壓器的優(yōu)化設(shè)計提供指導(dǎo)。通過固定占空比控制，最大占空比為50%，由于單個單體電池電壓工作范圍在3.6～4.2 V之間，因此能夠得到在最大單體電壓4.2 V下，變壓器工作在50%占空比下的均衡電流，該電流為主動均衡系統(tǒng)最大均衡電流。

主動均衡電路均衡開關(guān)驅(qū)動電路如圖5所示。圖5中選用了一節(jié)電池，說明它的驅(qū)動方式，其中VDD為控制電路的工作電源，主動均衡電路的均衡開關(guān)需要采用浮地驅(qū)動方式，且需要重點考慮滿足空間應(yīng)用要求。為此，本文設(shè)計了圖騰柱加變壓器隔離的隔離驅(qū)動方式。圖5中，圖騰柱起到增大驅(qū)動電流的目的，同時采用了磁隔離的方式，該電路驅(qū)動的電路結(jié)構(gòu)簡單，能夠滿足空間領(lǐng)域應(yīng)用的要求。

圖5 主動均衡驅(qū)動示意圖Fig.5 Active balance drive diagram

3 仿真結(jié)果

為了驗證基于多繞組變壓器的充電均衡電路的均衡功能，基于Simulink仿真軟件搭建了3節(jié)鋰離子電池的充電均衡電路，Simulink軟件中自帶了電池仿真模型，設(shè)置3節(jié)電池單體的容量分別為1.2 Ah，3節(jié)電池標準電壓為3.6 V，分別設(shè)置3節(jié)電池單體的初始容量為20%、20%、80%，通過設(shè)置初始容量的不同來設(shè)置初始電壓的不同，給定固定占空比50%，開關(guān)頻率設(shè)置為100 kHz。

如圖6所示，通過Simulink仿真軟件搭建了電池均衡模塊，利用Simulink軟件中現(xiàn)有的電池模型，變壓器副邊繞組串聯(lián)二極管續(xù)流，采用了1個多繞組變壓器，該變壓器原邊3個繞組，副邊1個繞組，對最大電壓的電池單體放電，實現(xiàn)電池單體之間的平衡狀態(tài)。

注： C、C1、C2為電容，m為測量端。圖6 電池均衡模塊Simulink仿真Fig.6 Simulink for battery balance module

均衡電流波形如圖7所示，給定固定50%占空比信號，變壓器原邊電流峰值最大可達20 A，變壓器副邊電流峰值最大可達15 A，變壓器工作在斷續(xù)模式，分析圖7可以得出，該主動均衡方式能夠以較大的電流對電池組實現(xiàn)均衡功能，電池單體均衡電流平均值可達5 A以上。

如圖8所示，其中藍線表示2節(jié)電池較低電壓，初始容量為20%；黑線表示1節(jié)電池電壓，初始容量為80%。3節(jié)電池初始電壓最大相差100 mV以上，經(jīng)過14 s左右的均衡過程，實現(xiàn)了3節(jié)電池電壓的平衡狀態(tài)，3節(jié)電池電壓相差很小，說明了該策略的可行性。

圖7 電池均衡電流波形圖Fig.7 Chart of battery balance current

圖8 3節(jié)電池電壓波形圖Fig.8 Three battery voltage waveform

4 結(jié)論

本文提出了一種可應(yīng)用于衛(wèi)星大容量鋰離子蓄電池組的主動均衡電路，該均衡電路基于多繞組的均衡變壓器設(shè)計，可實現(xiàn)鋰離子電池組充電過程中的快速均衡。采用固定占空比控制，可以簡化控制系統(tǒng)設(shè)計。新型均衡電路能夠?qū)崿F(xiàn)模塊化設(shè)計并具備可擴展性。基于Simulink軟件進行了仿真分析，驗證了電路的基本原理和功能。需要注意的是該電路中每個均衡模塊同一時間只能有一節(jié)電池均衡，不同均衡模塊之間可以同時均衡，每兩個相鄰均衡模塊之間副邊有6節(jié)公用電池，實現(xiàn)不同模塊之間能量的轉(zhuǎn)移，可以得到基于多繞組變壓器的均衡系統(tǒng)優(yōu)勢如下。

(1)主動均衡方式降低了均衡損耗，提高了均衡速度(均衡電流可達5 A以上)，可更好滿足大容量鋰離子蓄電池組的均衡要求。

(2)均衡變壓器采用了多繞組變壓器，工作頻率設(shè)計為100 kHz以上，有利于均衡電路高集成、輕量化設(shè)計。

(3)采用固定占空比的控制方式，控制策略簡單，有利于滿足衛(wèi)星大容量鋰離子蓄電池組均衡電路對可靠性設(shè)計的要求。