鋰離子電池組均衡電路設(shè)計(jì)與仿真

朱浩，廖紅輝，鄂加強(qiáng)，鄧元望

(湖南大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410082)

0 引言

在電池使用的過(guò)程中，特別是儲(chǔ)能電站和電動(dòng)汽車等復(fù)雜工況下，電池組被頻繁充電、放電，影響了電池的使用性能[1－6]。同樣，非正常溫度變化也惡化了電池穩(wěn)定性，造成電池產(chǎn)生不均衡現(xiàn)象[7－10]。均衡電路的設(shè)計(jì)需要考慮均衡效率、功耗、電池?cái)?shù)量等多個(gè)方面的因素[11－13]。作為車載電池包均衡系統(tǒng)，除了要保證良好的均衡效果，還需要從整車集成的角度出發(fā)，盡量減少電池包所占用的幾何空間[14－15]。本文以電池模塊作為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)模塊內(nèi)部電池均衡電路與模塊間均衡電路。

1 均衡電路總體設(shè)計(jì)

均衡電路的主要性能包括均衡的有效性分析、均衡能量損失大小估算、均衡時(shí)間及均衡效率等幾個(gè)方面。合理的設(shè)計(jì)電路能有效提高串聯(lián)動(dòng)力電池的一致性，對(duì)電池包的整體使用性能有比較大的提高[16]。以純電動(dòng)汽車電池包為研究對(duì)象，將電池包劃分為若干個(gè)電池模塊，每個(gè)電池模塊含有六個(gè)單體電池，分別設(shè)計(jì)模塊內(nèi)部均衡拓?fù)潆娐芳澳K之間均衡拓?fù)潆娐贰?/p>

如圖1所示，一塊BQ76PL536芯片與6塊單體電池構(gòu)成一個(gè)電池模塊，各個(gè)電池模塊之間電池保持串聯(lián)，BQ76PL536芯片保持上下相互連接的方式，通過(guò)SPI通信方式傳遞信息。最底層模塊與主控芯片之間設(shè)計(jì)有隔離電路，用來(lái)防止強(qiáng)電危害。主控板通過(guò)串口通信將數(shù)據(jù)反饋到上位機(jī)進(jìn)行顯示。設(shè)計(jì)的均衡控制系統(tǒng)具有以下特征:設(shè)計(jì)的系統(tǒng)采用主動(dòng)均衡方式；以12塊磷酸鐵鋰電池作為研究對(duì)象，額定電壓為40 V；設(shè)計(jì)的均衡系統(tǒng)能在充電時(shí)間范圍以內(nèi)完成對(duì)所有電池的均衡；控制策略可以對(duì)單體電池電壓或者電池荷電狀態(tài)進(jìn)行均衡；電池組中部分單體發(fā)生異常情況，控制電路能對(duì)其進(jìn)行保護(hù)，防止電池組進(jìn)一步被破壞；所設(shè)計(jì)系統(tǒng)各個(gè)數(shù)據(jù)采集板能與主控板進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，保證均衡的及時(shí)性與有效性；模塊化設(shè)計(jì)，一個(gè)模塊發(fā)生故障不會(huì)對(duì)其他模塊造成影響。

圖1 均衡設(shè)計(jì)總體框圖

1.1 均衡電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

以6個(gè)單體電池為一個(gè)模塊，模塊內(nèi)部采用BQ76PL536控制芯片采集各個(gè)單體電池的電壓及溫度信號(hào)。該芯片內(nèi)部集成有均衡控制模塊，當(dāng)電池電壓值達(dá)到所設(shè)定的閾值時(shí)，相應(yīng)的芯片引腳輸出高電平，促發(fā)MOSFET開(kāi)關(guān)，對(duì)應(yīng)電池進(jìn)入均衡狀態(tài)。當(dāng)相應(yīng)電池放電到電池極限閾值，會(huì)觸發(fā)另外一個(gè)MOSFET開(kāi)關(guān)，將儲(chǔ)能元件上的能量轉(zhuǎn)移到對(duì)應(yīng)電池上，實(shí)現(xiàn)模塊內(nèi)部均衡控制。

結(jié)合對(duì)單體電池與電感儲(chǔ)能元件之間能量交換的分析，對(duì)電池模塊內(nèi)部6塊電池之間均衡電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)原理如圖2所示。電池以串聯(lián)的方式連接在模塊內(nèi)部，在電池兩側(cè)對(duì)稱分布數(shù)字開(kāi)關(guān)(M1，M2，…，M14)，這些開(kāi)關(guān)的控制信號(hào)來(lái)自數(shù)據(jù)采集及均衡控制芯片BQ76PL536，由其引腳輸出相應(yīng)的控制信號(hào)。

圖2 電池模塊內(nèi)部均衡原理

圖2中，假設(shè)電池B2處于過(guò)充電狀態(tài)，B5為6個(gè)電池中電壓值最小的電池。BQ76PL536按照設(shè)定的時(shí)間間隔巡檢內(nèi)部6塊電池，一旦檢測(cè)到B2電池電壓超過(guò)系統(tǒng)設(shè)定的門限電壓，則觸發(fā)M2和M10導(dǎo)通，依據(jù)此時(shí)電池電壓與電池平均值之間差值的大小程度，控制M2和M10導(dǎo)通設(shè)定的時(shí)間，電池B2給電感元件L充電。電池B5電壓在模塊內(nèi)部電壓值最小，需要得到過(guò)充電池能量，從而使自身加快充電速度。由模塊內(nèi)部均衡控制芯片觸發(fā)充電MOSFET開(kāi)關(guān)，對(duì)B5充電時(shí)，M6和M12導(dǎo)通，電池B5與電感構(gòu)成通路，此時(shí)電感內(nèi)部含有B2的能量，在與B5連接時(shí)可以將這部分能量轉(zhuǎn)移到B5中，實(shí)現(xiàn)模塊內(nèi)部電池的均衡。

本文選用的電池為標(biāo)稱電壓3.2 V的磷酸鐵鋰電池、其標(biāo)稱容量為25 A·h。設(shè)計(jì)均衡電流的最大值為0.04 C，即1 A，所以均衡電路中電感的峰值電流為1 A。為了能量的充分轉(zhuǎn)移，均衡電路將工作在電流不定期關(guān)斷與打開(kāi)模式，所以在均衡電流流經(jīng)電感之前，其內(nèi)部是沒(méi)有電流通過(guò)的，即零能量。根據(jù)最大均衡電流VB和電感上的電流iL變化公式:

得到電感上流過(guò)的最大電流為:

式中，D為MOSFET占空比的大小；T為開(kāi)關(guān)周期。由于MOSFET是全開(kāi)或者全關(guān)模式，所以占空比為1，假設(shè)工作頻率為10 kHz，可以得到電感值大小為320μH?？紤]到實(shí)際應(yīng)用中電感的損耗、PCB板的布置、價(jià)格等因素，選擇的電感元件體積應(yīng)盡量小，選用大小為470μH的CDH125電感元件其為貼片電感，能通過(guò)最大電流值為2~3 A，滿足設(shè)計(jì)需要。

1.2 模塊間均衡電路

對(duì)于模塊之間的均衡，由于其內(nèi)部電壓范圍、狀態(tài)與單體電池存在很大差異，不能采用單體電池的電池模型進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)另外一種均衡控制電路實(shí)現(xiàn)不同電池模塊之間的均衡，如圖3所示。

圖3 模塊間均衡電路

在圖3中，每一個(gè)電池組模塊連接一個(gè)MOSFET開(kāi)關(guān)、繞組原邊、由6個(gè)電池組成的電池模塊(對(duì)應(yīng)內(nèi)阻為RMX，電壓值大小為VMX)。變壓器T與電感元件LM連接在一起，轉(zhuǎn)換比率為N1∶N2＝1∶1。RMX表示電池模塊的內(nèi)阻，Reqx表示寄生電阻，包括MOSFET開(kāi)關(guān)電阻及跟蹤電阻，Leqx為寄生電感元件，包括變壓器T的漏感及跟蹤電感。

1)t0－t1期間:在t0時(shí)刻，由BQ76PL536測(cè)得各個(gè)模塊的電池電壓數(shù)值，分別求得各個(gè)模塊總電壓大小，及兩個(gè)模塊的平均電壓值。假設(shè)VM1>VM2，于是在開(kāi)始時(shí)刻開(kāi)啟模塊1的MOSFET開(kāi)關(guān)S1，將Module 1的能量轉(zhuǎn)移到副邊電感中。此時(shí)，變壓器原邊的回路中，由電路原理可得:

式中，Ix為每個(gè)均衡子回路對(duì)應(yīng)的均衡電流大小。通過(guò)副邊電感LM的電壓及電流可表示為:

2)t1－t2期間:在t1時(shí)刻，關(guān)閉兩個(gè)回路的MOSFET開(kāi)關(guān)，副邊二極管開(kāi)始傳導(dǎo)電感電流，電流由外接線路傳遞到兩個(gè)電池模塊，同時(shí)給兩個(gè)電池模塊充電。一段時(shí)間之后，副邊電感的電壓變?yōu)? V，則關(guān)斷均衡電路。由于電池在充放電的過(guò)程中，電池內(nèi)部發(fā)生了劇烈的化學(xué)反應(yīng)，電池的溫度及電壓值處于不穩(wěn)定狀態(tài)，于是此時(shí)關(guān)閉均衡電路，將電池模塊靜置30 min。

靜置過(guò)后，重新讀取BQ76PL536測(cè)得的電池電壓狀態(tài)，判定電池模塊電壓值大小，開(kāi)啟新一輪模塊間均衡。上述電路中，寄生電阻及電感在均衡過(guò)程中起到了一定的作用。

2 均衡電路仿真

在均衡電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，對(duì)設(shè)計(jì)的均衡拓?fù)潆娐愤M(jìn)行Simulink模型仿真，驗(yàn)證均衡拓?fù)潆娐返目尚行?。在可行性的基礎(chǔ)上，仿真模塊內(nèi)部均衡電路的效率。

2.1 能量轉(zhuǎn)移方式仿真

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的470μH電感均衡方式是否能夠作為中間儲(chǔ)能元件在電池之間傳遞能量，在Simulink中搭建兩塊電池的均衡仿真模型。如圖4所示，將整個(gè)電池模型封裝成名叫Battery的子系統(tǒng)模塊，模塊有四個(gè)端口，電源正負(fù)極、電池電壓與SOC值。

圖4 兩電池之間能量轉(zhuǎn)移仿真

兩個(gè)電池之間均衡的算法為:利用模擬前端估算兩個(gè)單體電池的SOC狀態(tài)值，將兩個(gè)電池模型的SOC值相減，再求絕對(duì)值，所得到結(jié)果與常數(shù)0.005進(jìn)行比較。如果大于0.005，則繼續(xù)對(duì)兩個(gè)電池進(jìn)行均衡；如果小于0.005，則仿真結(jié)束。常數(shù)0.005為均衡仿真設(shè)定的兩個(gè)電池之間均衡的閾值，只要兩個(gè)電池SOC差異小于該值，則認(rèn)為電池一致性良好，均衡結(jié)束。否則，兩個(gè)電池之間繼續(xù)進(jìn)行能量的相互轉(zhuǎn)換。

模型中，Subsystem為兩個(gè)電池之間SOC比較函數(shù)。Subsystem的輸入端為兩個(gè)電池模型的SOC狀態(tài)值，將輸入信號(hào)進(jìn)行大小比較，若SOC＿1大于SOC＿2，則輸出為Out1，反之輸出Out2。該設(shè)計(jì)用來(lái)觸發(fā)對(duì)應(yīng)的MOSFET開(kāi)關(guān)的通斷，從而決定對(duì)應(yīng)電池是進(jìn)行充電均衡還是放電均衡。Subsystem的內(nèi)部原型如圖5所示。

圖5 Subsystem仿真原理

圖4中，設(shè)定其中一塊電池的電壓值為3.1 V，容量為80%，另外一塊電池電壓為2.7 V，容量為60%。選擇電感大小L＝470μH，MOSFET占空比D＝50%，開(kāi)關(guān)頻率f＝4 kHz。該模型的仿真結(jié)果如圖6所示。

從仿真結(jié)果可以看出，在均衡開(kāi)始階段，高電壓電池電壓跳變比較大，均衡電感被較大電壓反復(fù)充電，內(nèi)部存儲(chǔ)容量達(dá)到滿載。隨著時(shí)間推移，兩個(gè)電池之間壓差逐漸減少，均衡電感所接收到的充電電壓減少，所以均衡曲線變窄。最后兩條曲線重合，表示兩個(gè)電池電壓差值在0.005以內(nèi)，所搭建的電感均衡電路能夠?qū)崿F(xiàn)不同電池之間電量的交換。

2.2 模塊均衡仿真

2.2.1 非均衡仿真

在Simulink中搭建6個(gè)電池充電模塊，設(shè)置各個(gè)電池的電壓值與SOC梯度分布。按照電池實(shí)際充電方式，首先對(duì)串聯(lián)電池組進(jìn)行恒流充電，待電壓值達(dá)到3.6 V，再采用恒壓充電方式。同樣，放電過(guò)程中，串聯(lián)電池兩端接一個(gè)負(fù)載為20Ω的電阻，用Scope記錄電池電壓與SOC變化曲線。仿真結(jié)果如圖7、8所示。

圖7 電池模塊非均衡充電SOC仿真結(jié)果

圖8 電池模塊非均衡放電SOC仿真結(jié)果

在沒(méi)有加入均衡系統(tǒng)的情況下各個(gè)電池的SOC值隨充放電時(shí)間變化呈現(xiàn)出規(guī)律的線性關(guān)系。充電過(guò)程中，各個(gè)電池從設(shè)定的初始值增加到100%滿電量狀態(tài)的SOC曲線呈直線。放電過(guò)程中，各電池SOC從初始值呈直線下降到0，表明充放電過(guò)程中各個(gè)電池得到與釋放出來(lái)的能量是一致的，各個(gè)電池之間沒(méi)有能量轉(zhuǎn)換。但是，以上仿真是在理想狀態(tài)下進(jìn)行的，實(shí)際使用時(shí)電池組存在不一致，SOC變化曲線并不會(huì)呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系。

2.2.2 均衡系統(tǒng)仿真

在非均衡模型的基礎(chǔ)上，建立模塊內(nèi)部均衡仿真模型，驗(yàn)證模塊內(nèi)部6個(gè)電池的均衡仿真效果。該仿真主要是驗(yàn)證電池組在靜置狀態(tài)下電池之間電量的轉(zhuǎn)移情況。仿真中，具體參數(shù)設(shè)置值見(jiàn)表1。

表1 均衡仿真參數(shù)

依據(jù)表1中的設(shè)置參數(shù)，得到的仿真結(jié)果如圖9所示。

圖9 模塊內(nèi)部均衡(SOC)仿真結(jié)果

不同初始狀態(tài)的鋰電池在均衡系統(tǒng)開(kāi)啟之后，各個(gè)電池之間按照設(shè)定的算法，相互之間進(jìn)行能量交換。荷電狀態(tài)高的單體電池電量降低，將能量轉(zhuǎn)移到荷電狀態(tài)低的電池內(nèi)部。在第200 ks左右，SOC曲線開(kāi)始向中間聚集，表現(xiàn)出較好的一致性。

與前面電池之間能量轉(zhuǎn)移相比較，兩個(gè)電池能量交換仿真用時(shí)25 ks，電池之間表現(xiàn)出良好的均衡效果。而6個(gè)電池之間均衡總用時(shí)達(dá)400 ks，時(shí)間遠(yuǎn)大于兩電池均衡。原因是兩電池之間算法簡(jiǎn)單，只需要在兩個(gè)數(shù)值之間比較大小，而6個(gè)電池之間均衡需要求取SOC最值所對(duì)應(yīng)電池，再對(duì)該兩個(gè)電池進(jìn)行均衡。反復(fù)運(yùn)行，直到電池組各個(gè)電池的SOC值在設(shè)定的范圍以內(nèi)。仿真結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的均衡拓?fù)潆娐纺軌驅(qū)崿F(xiàn)電池模塊的均衡，電池之間在一定范圍內(nèi)一致性良好。

3 結(jié)語(yǔ)

本文提出均衡設(shè)計(jì)的總體設(shè)計(jì)方案，綜合考慮電池組均衡電路的均衡效率與電池成組等因素，設(shè)計(jì)模塊內(nèi)部電池均衡電路與模塊之間的電池均衡電路。在Simulink環(huán)境中搭建模塊內(nèi)部均衡仿真模型以及電池之間能量轉(zhuǎn)移模型，仿真結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的均衡拓?fù)潆娐纺軌驅(qū)崿F(xiàn)電池模塊的均衡，電池之間在一定范圍內(nèi)一致性良好。