基于自適應(yīng)電壓懸浮控制開關(guān)陣列的主動均衡電路設(shè)計

劉德鋒，謝旭良

基于自適應(yīng)電壓懸浮控制開關(guān)陣列的主動均衡電路設(shè)計

劉德鋒，謝旭良

（長安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

為解決電池單體之間不一致性導(dǎo)致的電池組可用容量下降問題，文章設(shè)計了一種模組對單體單向均衡電路。該電路由開關(guān)陣列、隔離DC/DC變壓器和電池充電管理芯片TP5100組成。該開關(guān)陣列采用自適應(yīng)電壓懸浮控制，與傳統(tǒng)的基于電磁繼電器和光耦固態(tài)繼電器的電路相比具有成本低，導(dǎo)通電阻小等特點。

開關(guān)陣列；自適應(yīng)電壓懸浮控制；主動均衡

引言

對于串聯(lián)成組的電池來說，由于單體電池自身特性（如內(nèi)阻、容量等）的差異，會造成電池組進(jìn)行充放電時，內(nèi)部串聯(lián)單體電壓各不相同，而為了兼顧電壓最高和最低電池單體的安全性，防止過充過放，就會導(dǎo)致整組電池的容量得不到充分利用，而且還會影響電池組的SOC估算精度[1]。因此國內(nèi)外學(xué)者[2]及企業(yè)采用均衡技術(shù)來減少電池單體之間的不一致性對電池組的影響，目前電池均衡已成為電池管理系統(tǒng)不可或缺的功能。當(dāng)前市場上的BMS大多采用的耗散均衡技術(shù)，耗散均衡不能充分利用電池組的可用容量，在均衡過程中耗散的能量無法被利用，而且一般只能通過與均衡電阻相連電路板進(jìn)行散熱，散熱面積小，會限制均衡功率，而且也會導(dǎo)致電路板局部溫度過高，影響系統(tǒng)安全。目前主流的具有被動均衡功能芯片實現(xiàn)的最大均衡電流一般在100 mA左右。被動均衡的均衡電流受硬件散熱條件限制而導(dǎo)致均衡效率低、均衡時間長等缺點，在使用過程中把電池能量都耗散了，降低了電池的能量使用效率。在放電的過程也未能將電池組中的單體能量使用完畢，導(dǎo)致電池組的能量利用率較低。

而采用主動均衡具有效率高、速度快、不浪費能量，能充分利用電池組的可用容量[3]。常用的主動均衡電路有基于電容[4]、電感[5]和隔離變壓器[6]的均衡電路，而本文設(shè)計了基于自適應(yīng)電壓懸浮控制開關(guān)陣列的主動均衡電路，具有控制簡單、均衡能力強(qiáng)，而且不會因為控制不當(dāng)導(dǎo)致均衡過程中出現(xiàn)單體電池過充現(xiàn)象發(fā)生。

1 均衡電路結(jié)構(gòu)

本文采用主動均衡電路拓?fù)鋱D如圖1(a)所示，用串聯(lián)的12節(jié)18650電池給最小電壓的單體提供能量，進(jìn)行均衡。其均衡電路的控制電路結(jié)構(gòu)圖如圖1(b)所示，控制單元分析電壓采集單元LTC6804采集的數(shù)據(jù)，若單體電壓差的最大值大于設(shè)定的閾值或者接受到上位機(jī)發(fā)送的均衡命令時，打開對應(yīng)開關(guān)陣列，接通最小電壓的電池單元，進(jìn)行充電均衡。

圖1 均衡電路

1.1 開關(guān)陣列

常用的開關(guān)陣列有基于電磁繼電器式、光耦固態(tài)繼電器式和MOS管式，下表1是三種常用開關(guān)陣列的對比。

表1 常用開關(guān)陣列的對比

開關(guān)陣列類型優(yōu)點缺點 電磁繼電器式控制簡單，導(dǎo)通電阻小成本高，動作時有噪音，不適用于快速開關(guān)，而且驅(qū)動消耗的能量大 光耦式固態(tài)繼電器控制簡單，壽命長成本高，而且不適用大電流 MOS管開關(guān)陣列成本低，開關(guān)速度快，壽命長，導(dǎo)通壓降小，驅(qū)動消耗的能量少控制電路相對復(fù)雜

目前針對MOS管開關(guān)陣列驅(qū)動電路，德州儀器推出的EMB1499和EMB1428芯片用于主動均衡的開關(guān)陣列驅(qū)動，但是該方案復(fù)雜，客戶使用成本較高，并且一組芯片只能均衡7個電池單體。而另外有的方案采用高低壓隔離變換器來實現(xiàn)低電壓到高電壓的懸浮電位控制，結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，占用空間大而且成本較高。而本文采用的自適應(yīng)電壓懸浮控制MOS管開關(guān)陣列的驅(qū)動方案具有較低的成本和簡單結(jié)構(gòu)，并且還能拓展更多節(jié)電池進(jìn)行均衡控制。

本文采用的開關(guān)陣列的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖2所示。B1到B12為12節(jié)串聯(lián)的電池單體，每個與電池單體一極相連的開關(guān)電路中包括兩個NMOS管Q、一個穩(wěn)壓二極管D、一個NPN三極管TD和兩個電阻R。VH+是MOS管的柵極導(dǎo)通電壓，應(yīng)該大于電池組的最大工作電壓和MOS管的柵源極導(dǎo)通電壓之和。NMOS管Q的漏極和源極之間的耐壓范圍應(yīng)該大于電池組的最大工作電壓，三極管TD的集電極與發(fā)射極之間的耐壓值應(yīng)該大于VH+與電池組負(fù)極的電壓，與三極管基極相連的限流電阻應(yīng)使三極管工作在飽和態(tài)，與MOS管柵極相連的充電電阻大約為0.1 MΩ～5 MΩ，該電阻過大會使開關(guān)管導(dǎo)通時間變長，過小會增加功耗，甚至超過穩(wěn)壓二極管的功率，損壞穩(wěn)壓二極管和MOS管，應(yīng)根據(jù)MOS的柵源極之間的寄生電容合適選取。

本文采用的開關(guān)陣列的MOS管柵極電壓采用自適應(yīng)電壓懸浮控制，能夠通過SW控制不同電池單體相連的MOS管柵極電壓。當(dāng)控制信號SW為高電平時，三極管導(dǎo)通，MOS管柵極的電壓被拉低，MOS管關(guān)斷。當(dāng)控制信號SW為低電平時，三極管關(guān)斷，VH+通過充電電阻給MOS管的柵極充電，MOS管導(dǎo)通，此時MOS管漏極和源極電壓相同，而穩(wěn)壓二極管將MOS管柵極的電壓鉗位到源極加上穩(wěn)壓二極管的導(dǎo)通電壓，MOS管繼續(xù)導(dǎo)通，而MOS管的柵極和源極的電壓差又不至于大于柵源極的耐受電壓，保護(hù)MOS管。

本文電池組12節(jié)電池有13個電壓節(jié)點與之對應(yīng)，例如電池B1的負(fù)極節(jié)點為0，正極節(jié)點為1，電池B2的正極節(jié)點為2。將對應(yīng)節(jié)點的排列順序按奇偶連接在一起，然后通過圖2右邊的電壓極性選通電路就可以將每個單體的正負(fù)極引出去。

該開關(guān)陣列中柵極電壓VH+的電壓應(yīng)大于最高電池電壓和MOS管的導(dǎo)通電壓，采用NE555生成PWM給電容充放電來組成一個電荷泵產(chǎn)生VH+，電路圖如3所示。

圖3 電荷泵電路圖

利用電容不能瞬間改變兩端電壓的特性，將該芯片的輸出腳連接到電容的一端，另外一端接上電池組的正極電源，就組成了電荷泵，將輸出端VH+電壓增加給開關(guān)陣列中MOS源極使用，理想情況下VH+的電壓等于C12加上NE555的工作電壓。

第一節(jié)電池負(fù)極端所連接的開關(guān)陣列的電路原理圖如圖4所示，其中MOS管選用的是SOT-23封裝的NMOS管2N7002，其VDS漏極到源極最大耐壓值為60 V，大于12節(jié)鋰電池串聯(lián)的最大工作電壓，VGS柵極到漏極最大耐壓值為±20 V，導(dǎo)通電流ID在VGS為5 V時能夠到1.2 A，同時具有較低的導(dǎo)通阻抗RDS。穩(wěn)壓二極管D選用的是1206封裝的LL34，穩(wěn)壓值為4.7 V。三極管選用的是TO-92封裝的2N5551，該三極管的耐壓值VCE達(dá)到160 V，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于VH+與地之間的電壓，滿足要求。VH+與柵極相連的充電電阻選擇和與三極管相連的限流電阻選擇1206封裝的1 MΩ和10 kΩ，充電電阻選擇應(yīng)大一點，減少電荷泵和穩(wěn)壓二極管的負(fù)載功率。光耦采用的是億光公司生產(chǎn)的EL817貼片光耦，其導(dǎo)通電流大約為20 mA，導(dǎo)通壓降為1.2 V，所以選擇的限流電阻為100 Ω。

圖4 開關(guān)陣列電路圖

1.2 隔離DC/DC均衡電路

本文隔離DC/DC是采用的廣州能達(dá)電源生產(chǎn)的18 V～72 V轉(zhuǎn)12 V的隔離DC/DC，將電池組的正負(fù)極經(jīng)過隔離DC/DC轉(zhuǎn)換后送給TP5100開關(guān)降壓芯片，降壓后經(jīng)選通的開關(guān)陣列給某一電池單體充電。

TP5100是一款專用的4.2 V鋰電池充電管理芯片，采用QFN-16封裝，該降壓充電芯片對電池的充電控制分成三個階段：涓流預(yù)充、恒流充電和恒壓充電，這種充電模式能夠有效延長電池的使用壽命，涓流預(yù)充和恒流充電的電流可以通過芯片的外圍電路進(jìn)行設(shè)置。外圍電路如圖5所示，V+為TP5100輸入電壓，也是隔離DC/DC的輸出電壓。+4.2為給開關(guān)陣列的輸入電壓，LED1和LED2為充電狀態(tài)指示燈。該芯片的恒流充電電流設(shè)置是通過設(shè)置引腳VS和VBT之間的電流檢測電阻RS來恒流充電狀態(tài)下的充電電流，正常情況下，引腳VS與VBAT之間的電壓為100 mV，所以該電阻RS應(yīng)該取為：

式中：I為恒流充電時的電流，單位為A。為電流檢測電阻的阻值，單位為Ω。所以為使充電電流達(dá)到2 A，應(yīng)取為0.05 Ω。

控制涓流充電電流大小的為引腳RTRICK，由于本文是用作均衡控制的，所以將該引腳懸空，使預(yù)充電流等于恒流充電的電流，使單體電池處于低電壓狀態(tài)時具有較好的均衡能力。

圖5 TP5100電路圖

2 PCB設(shè)計

通過加入電壓采集模塊LTC6804和主控芯片STM32 XET6，在Altium Designer 18中繪制出的電路原理圖，將電路原件導(dǎo)入對應(yīng)封裝。根據(jù)導(dǎo)通電流大小選擇合適線寬，在嘉立創(chuàng)打好板子后回來焊接。焊接好，寫入程序后的實物圖如圖6所示。

圖6 均衡電路實物圖

3 實驗驗證

實驗中采用的12節(jié)鋰電池為市場上國產(chǎn)某品牌容量為1.57 Ah的18650電池。實驗中通過上位機(jī)串口觸摸屏將主動均衡功能打開時，記錄均衡電流和單體電壓變化數(shù)據(jù)。每隔30 min后停止均衡，等電壓穩(wěn)定后，記錄各個單體電壓，如圖7所示。其中均衡電流最大能到1.18 A，均衡能力較強(qiáng)，單體的最大電壓差從0.49 V減少到0.1 V以內(nèi)用了120 min。

圖7 單體均衡過程中電壓變化

4 總結(jié)

采用自適應(yīng)電壓懸浮控制的MOS管開陣列和隔離單向DC/DC均衡電路實現(xiàn)模組對單體電池的均衡，該開關(guān)陣列與傳統(tǒng)采用電磁繼電器和光耦固態(tài)繼電器相比，具有成本低、導(dǎo)通電阻小、壽命長，而且控制簡單。隔離單向DC/DC均衡電路采用降壓隔離DC/DC變壓器和專用的鋰電池充電管理芯片TP5100組成，可以自動對鋰電池進(jìn)行恒流或者恒壓充電均衡，恒流充電時，均衡電流可達(dá)1.18 A，均衡能力強(qiáng)，而且不會因為控制不當(dāng)而造成鋰電池過充，能有效延長電池壽命，具有運用價值。

[1] 李索宇.動力鋰電池組均衡技術(shù)研究[D].北京:北京交通大學(xué),2011.

[2] 蔡敏怡,張娥,林靖,等.串聯(lián)鋰離子電池組均衡拓?fù)渚C述[J].中國電機(jī)工程學(xué)報,2021,41(15):5294-5311.

[3] 閆改珍,徐朝勝,李進(jìn),等.電動汽車電池均衡技術(shù)綜述[J].重慶科技學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版),2014,16(01):130-133.

[4] 文楚強(qiáng).基于準(zhǔn)諧振開關(guān)電容的電動汽車鋰電池組均衡系統(tǒng)研究[D].廣州:華南理工大學(xué),2020.

[5] 李小龍,徐順剛,許建平,等.一種單電感雙向電池均衡電路[J].電機(jī)與控制學(xué)報,2019,23(04):90-97.

[6] 張露.基于反激式變壓器鋰電池組雙向均衡系統(tǒng)優(yōu)化分析[D].成都:西南交通大學(xué),2018.

Design of Active Equalization Circuit Based on Adaptive Voltage Suspension Control Switch Array

LIU Defeng, XIE Xuliang

( School of Automotive Engineering, Chang'an University, Shaanxi Xi'an 710064 )

In order to solve the problem that the available capacity of battery pack decreases due to the inconsistency between battery cells, a module to cell unidirectional equalization circuit is designed in this paper. The circuit consists of switch array, isolated DC/DC transformer and battery charging management chip tp5100. Compared with the traditional circuit based on electromagnetic relay and optocoupler solid state relay, the switch array has the advantages of low cost and low on resistance.

Switch array; Adaptive voltage suspension control; Active equilibrium

U469.72

A

1671-7988(2021)20-100-04

U469.72

A

1671-7988(2021)20-100-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.020.024

劉德鋒，男，就讀于長安大學(xué)汽車學(xué)院。