不間斷電源用石墨烯鋰電池模塊均衡系統(tǒng)設計

余躍聽，蔡久青，徐正喜，吳浩偉

(1. 海軍駐719所軍事代表室，湖北 武漢 430064；2. 武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢 430064)

0 引 言

石墨烯作為一種新型二維碳納米材料，具有高導電性、高導熱性、高比表面積、高強度等優(yōu)勢特點，已在鋰離子電池領域獲得了多元化應用[1]。不間斷電源用石墨烯鋰電池模塊采用LiFePO4-石墨烯復合材料作為電池正極，構(gòu)成三維導電混合傳輸網(wǎng)絡，具有倍率放電容量大、循環(huán)壽命長、能量密度高等優(yōu)點。

石墨烯鋰電池模塊由單體電池串并聯(lián)組成，由于制造工藝、使用環(huán)境、自放電率等差異因素的影響，各單體電池特性存在著不一致的現(xiàn)象[2]。單體電池的不一致會導致電池模塊使用時呈現(xiàn)典型的“木桶效應”，并且隨著時間的積累這種不一致會逐漸放大，最終嚴重影響整個電池模塊的使用性能、使用壽命和使用安全。均衡管理技術通過實時監(jiān)測單體電池狀態(tài)參量，動態(tài)調(diào)節(jié)電池模塊內(nèi)各單體電池能量平衡，是解決不一致問題的根本途徑。均衡管理包括均衡策略和均衡變量兩大要素[3]，其中根據(jù)均衡能量轉(zhuǎn)移方式，可以分為被動均衡[4–5]策略和主動均衡[6]策略。被動均衡通過均衡電阻對能量較高的電池進行放電，以實現(xiàn)各單體電池的一致；而主動均衡通過儲能元件和雙向變換器將能量較高的單體電池中的能量轉(zhuǎn)移至能量較低的單體電池中，同樣實現(xiàn)各單體電池的一致。均衡變量主要包括單體電池電壓和SOC。

不間斷電源用石墨烯鋰電池模塊容量較小且長期處于浮充狀態(tài)，綜合可靠性、安全性和實用性等多方面因素，均衡策略上選擇結(jié)構(gòu)簡單且成熟可靠的被動均衡；均衡變量上選擇測量簡便且精度較高的單體電池電壓，在浮充階段電池電壓與SOC之間呈近似線性關系，能夠較為準確地反映電池能量狀態(tài)?；趩误w電池電壓的被動均衡已得到了廣泛的工程應用，但不間斷電源用石墨烯鋰電池模塊的被動均衡還面臨著一些特殊問題：1）不間斷電源內(nèi)多輸入源間耦合，絕緣耐壓測試電壓會通過與主回路相連的電池模塊直接施加于被動均衡系統(tǒng)，對被動均衡系統(tǒng)的絕緣耐壓特性提出了更高要求；2）不間斷電源內(nèi)各類型交直流變換器工作時電磁環(huán)境復雜，內(nèi)置被動均衡系統(tǒng)的控制和通信易受干擾，對被動均衡系統(tǒng)的電磁兼容性能提出了更高要求；3）不間斷電源作為高可靠電源，其內(nèi)置鋰電池模塊的安全性直接影響電源的供電可靠性，對被動均衡系統(tǒng)的安全性提出了更高要求。

本文以不間斷電源用石墨烯鋰電池被動均衡系統(tǒng)為研究對象，從均衡電路設計出發(fā)，提出了基于雙殼體結(jié)構(gòu)的絕緣耐壓優(yōu)化設計方法、基于多通道隔離的電磁兼容優(yōu)化設計方法和基于雙重保護的可靠性優(yōu)化設計方法，最后通過均衡試驗結(jié)果驗證了上述設計的可行性和有效性。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

不間斷電源用石墨烯鋰電池模塊被動均衡系統(tǒng)由電池模塊、均衡電路、控制單元3部分組成，如圖1所示。電池模塊規(guī)格為12 V/50 Ah，由4節(jié)單體電池串聯(lián)組成；均衡電路包括電池模塊監(jiān)測芯片、均衡控制器、隔離驅(qū)動、均衡開關和均衡電阻；控制單元為飛思卡爾單片機?？刂茊卧ㄟ^隔離的SPI總線與電池模塊監(jiān)測芯片進行通信，讀取芯片采集的電壓、溫度等信息，同時對芯片的配置寄存器賦值以控制其內(nèi)置PMOS的輸出。均衡控制器將控制單元和電池模塊監(jiān)測芯片的均衡控制指令進行邏輯綜合后，在滿足單體電池均衡開啟條件時，通過隔離方式驅(qū)動相應的均衡開關。

圖1 被動均衡系統(tǒng)框圖Fig. 1 Block diagram of passive equilibrium system

2 被動均衡系統(tǒng)設計

2.1 基于雙殼體結(jié)構(gòu)的絕緣耐壓設計

不間斷電源是一個多輸入源耦合的復雜系統(tǒng)，石墨烯鋰電池模塊被動均衡系統(tǒng)的絕緣性能直接影響系統(tǒng)的安全性和可靠性。石墨烯鋰電池被動均衡電路板上集成了均衡電路和控制單元，均衡電路中電池模塊監(jiān)測芯片與單體電池正負電極直接相連。對不間斷電源進行絕緣耐壓測試時，測試電壓會通過與主電路相連的電池模塊直接施加于均衡電路上，因此均衡電路設計上需滿足系統(tǒng)絕緣耐壓要求。均衡電路板采用雙殼體安裝結(jié)構(gòu)設計，結(jié)構(gòu)三維視圖如圖2所示。內(nèi)層為聚四氟乙烯殼體，聚四氟乙烯材料具有良好的電絕緣性、耐高溫、耐腐蝕；外層為金屬殼體，金屬材料強度高、使用壽命長、具有一定的電磁屏蔽效果。

2.2 基于多通道隔離的電磁兼容設計

不間斷電源通過DC/DC、DC/AC等多個變換器實現(xiàn)多輸入源之間的能量變換，多個變換器內(nèi)大量的功率半導體開關器件高速開關過程會形成嚴重的電磁干擾。由于石墨烯鋰電池模塊及其被動均衡系統(tǒng)內(nèi)置于不間斷電源中，均衡電路板需在復雜電磁環(huán)境下工作，因此均衡電路設計上需滿足電磁兼容性要求。均衡電路采用多通道隔離電路設計，包括通信隔離、驅(qū)動隔離和電源隔離，如圖3所示。

圖2 均衡電路板雙殼體結(jié)構(gòu)圖Fig. 2 Structure diagram of equilibrium circuit board with double-shell

圖3 均衡電路板多通道隔離框圖Fig. 3 Block diagram of equilibrium circuit board with multi-channel isolation

均衡電路板上控制單元與電池模塊監(jiān)測芯片之間通過專用數(shù)字隔離器進行SPI總線通信，實現(xiàn)高絕緣電壓電氣隔離、高速數(shù)據(jù)傳輸和共模干擾抑制。均衡電路板上均衡控制器通過光耦驅(qū)動均衡開關，實現(xiàn)電池模塊均衡主電路與均衡控制電路之間的電氣隔離和電磁干擾抑制。均衡電路板上控制單元與電池模塊監(jiān)測芯片均采用隔離輔助電源模塊供電，實現(xiàn)供電電源之間的電氣隔離和電磁干擾抑制。

2.3 基于雙重保護的可靠性設計

不間斷電源作為高可靠電源，其應急供電可靠性和電池使用安全性，與石墨烯鋰電池模塊被動均衡系統(tǒng)的保護性能緊密相關。當被動均衡系統(tǒng)內(nèi)電池模塊監(jiān)測芯片損壞時，可能發(fā)生電壓、溫度信號采集異常，同時無法執(zhí)行控制單元下發(fā)的均衡操作指令，導致均衡開關不受控等情況。均衡開關持續(xù)不受控的導通，最終將導致對應單體電池放電至損壞[7]，因此均衡電路板設計上需滿足系統(tǒng)可靠性要求。均衡電路采用雙重保護電路設計，確保電池模塊監(jiān)測芯片故障時也能有效關斷均衡開關，保護原理如圖4所示。一方面，均衡控制器對控制單元和電池模塊監(jiān)測芯片的均衡控制信號進行邏輯綜合，只有當控制單元和電池模塊監(jiān)測芯片均為開啟均衡指令時驅(qū)動均衡開關導通。另一方面，當控制單元判斷電池模塊監(jiān)測芯片采集的各單體電池電壓、溫度等信息異常時，控制電池模塊監(jiān)測芯片供電開關斷開。

圖4 均衡電路雙重保護原理Fig. 4 Dual protection principle of equilibrium circuit

均衡系統(tǒng)工作時，首先對控制單元和電池模塊監(jiān)測芯片進行初始化。而后控制單元通過通信總線讀取電池模塊監(jiān)測芯片采集的電壓、溫度等數(shù)據(jù)，并判斷數(shù)據(jù)是否異常，異常情況包括數(shù)據(jù)為0或超出正常測量范圍等。當判斷數(shù)據(jù)異常時，執(zhí)行異常操作步驟，下發(fā)均衡封鎖信號、分斷電池模塊監(jiān)測芯片供電電源并故障報警；數(shù)據(jù)正常時，計算模塊內(nèi)單體電池電壓平均值，判斷各單體電池是否滿足均衡開啟條件。當單體電池同時滿足處于充電狀態(tài)、壓差和電壓大于設定閾值3個條件時，下發(fā)均衡開啟信號，均衡開關導通；當任一條件不滿足時，下發(fā)均衡封鎖信號，均衡開關關斷。均衡系統(tǒng)根據(jù)電池實時狀態(tài)，重復上述循環(huán)，系統(tǒng)流程如圖5所示。

圖5 均衡控制系統(tǒng)流程圖Fig. 5 Flow chart of equilibrium control system

3 均衡試驗結(jié)果及分析

根據(jù)上述設計方案，搭建了12 V/50 Ah不間斷電源用石墨烯鋰電池模塊均衡試驗系統(tǒng)，相關參數(shù)如表1所示。

以0.12 C電流對電池模塊進行浮充，均衡試驗結(jié)果如圖6所示。

由于單體電池出廠時均經(jīng)過篩選，均衡試驗初始一致性較好。在浮充過程中，各單體電池電壓差大于20 mV時，均衡電路正常開啟。浮充持續(xù)至93 min時，1號單體電池電壓率先達到3.60 V，電池模塊停止充電，此時2號單體電池電壓為3.57 V，3號單體電池電壓為3.58 V，4號單體電池電壓為3.59 V，均衡過程單體電池間壓差始終保持在30 mV以內(nèi)，均衡效果良好。

表1 均衡系統(tǒng)主要技術參數(shù)Tab. 1 Specifications of equilibrium system

圖6 均衡試驗結(jié)果Fig. 6 Experimental result of equilibrium system

4 結(jié) 語

本文以不間斷電源用石墨烯鋰電池模塊均衡系統(tǒng)為研究對象，在充分考慮均衡系統(tǒng)對絕緣耐壓、電磁兼容和安全性設計需求的基礎上，分別提出了基于雙殼體結(jié)構(gòu)的絕緣耐壓設計方法、基于多通道隔離的電磁兼容設計方法和基于雙重保護的可靠性設計方法。最后，在搭建的試驗平臺上進行驗證，試驗結(jié)果表明均衡系統(tǒng)滿足設計要求。