陳立劍

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鋰電池組串聯(lián)均衡系統(tǒng)研究

陳立劍

（中國(guó)船級(jí)社武漢規(guī)范研究所，武漢 430022）

鋰電池組串聯(lián)使用的安全性問(wèn)題是其在船舶上是否能應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一，鋰電池組的不一致性會(huì)使電池組中串聯(lián)充放電時(shí)個(gè)別電池提前損壞，壽命大大縮短，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)爆炸等安全問(wèn)題。本文提出了一種無(wú)損的能量轉(zhuǎn)移式電池組均衡方案，并從實(shí)驗(yàn)上進(jìn)行了驗(yàn)證，證明了該方案的可行性和先進(jìn)性。

串聯(lián)電池組測(cè)量單元均衡

0 引言

在船舶的應(yīng)用中，電池組的串并聯(lián)是一種非常普遍的方法，能夠得到較高的電壓和容量以滿(mǎn)足供電的需求。CCS鋼制海船入級(jí)規(guī)范和內(nèi)河船舶入級(jí)規(guī)范都提到目前船用蓄電池應(yīng)為酸性鉛板型或堿性鎳板型。其他類(lèi)型的船用電池使用還需要經(jīng)過(guò)認(rèn)可。鋰電池由于其能量密度很高且采用有機(jī)溶劑，使得與常用的鉛酸電池相比，鋰電池在濫用條件下(如高溫、過(guò)流、過(guò)充放等)會(huì)導(dǎo)致熱穩(wěn)定性變差，容易損壞電池，甚至出現(xiàn)起火爆炸等情況[1]-[2]。因此鋰電池如果串聯(lián)使用，所帶來(lái)的一個(gè)問(wèn)題就是在充放電的過(guò)程中，由于單體電池的差異帶來(lái)的鋰電池個(gè)體之間的均衡問(wèn)題。這些單體電池之間的差異有可能出廠時(shí)就存在，并隨著使用過(guò)程中逐漸變化而惡化，因此需要監(jiān)測(cè)保護(hù)電路來(lái)輔助[3]。

因此本文設(shè)計(jì)一種均衡系統(tǒng)，它對(duì)每一個(gè)電池的狀態(tài)的運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行監(jiān)視，包括電池的電壓、電流、溫度等信息，判斷電池組運(yùn)行是否正常，并且對(duì)電池的異常狀態(tài)進(jìn)行處理，同時(shí)將充電控制集成到均衡系統(tǒng)中，能更合理的保護(hù)和控制電池，使電池的容量得到充分的利用，有利于在一定程度上延長(zhǎng)電池的使用壽命，最大程度的避免可能出現(xiàn)的過(guò)壓、過(guò)流、過(guò)溫等狀態(tài)對(duì)電池造成的物理性傷害，保障電池的安全運(yùn)行。

1 均衡系統(tǒng)的主要構(gòu)成

均衡系統(tǒng)由測(cè)量單元和均衡單元構(gòu)成，其中測(cè)量單元與均衡單元可與電池配裝，用于在串聯(lián)電池組由主充電機(jī)充電時(shí)，與主充電機(jī)配合使用，監(jiān)控充電電池組的參數(shù)，在需要時(shí)對(duì)異常電池進(jìn)行處理。以2并2串組成的電池組（包括1#電池和2#電池）為例，均衡系統(tǒng)的構(gòu)成和連接入圖1。

測(cè)量單元主要針對(duì)以下幾種異常狀態(tài)進(jìn)行保護(hù)：過(guò)放電狀態(tài)、過(guò)充電狀態(tài)、過(guò)流、過(guò)溫狀態(tài)。

常用的鋰電池組主充電機(jī)的充電過(guò)程一般可分為兩個(gè)階段：恒流充電和恒壓充電。當(dāng)電池組總電壓距充電截止閾值較多時(shí)，一般采用恒流充電，充電電流在0.2-1.0 A之間，電池組電壓隨充電進(jìn)行上升；當(dāng)達(dá)到某接近充電截止閾值時(shí)，則轉(zhuǎn)為恒壓充電，此階段保證電池組精確達(dá)到允許充電電壓值，達(dá)到充電電壓截止閾值則充電完成。[4]鋰電池組串聯(lián)充電過(guò)程中，特性差的單體電池其端電壓上升比正常電池快，則有可能在整個(gè)串聯(lián)電池組的總端電壓到達(dá)恒壓充電之前就已經(jīng)超過(guò)單節(jié)電池的終止電壓，因此有發(fā)生過(guò)充的可能；若此時(shí)終止主充電機(jī)充電，則整個(gè)電池組會(huì)由于提前結(jié)束了充電導(dǎo)致整體可用容量的下降。如果串聯(lián)電池組中存在多個(gè)特性變差的電池，那么整個(gè)電池組的實(shí)際可用容量則下降更多，降低了電池組的容量利用率。在大容量電池組的應(yīng)用中，圖1的均衡系統(tǒng)在每個(gè)電池兩端使用了帶有隔離型直流/直流變換器的均衡單元來(lái)實(shí)現(xiàn)單體電池之間的均衡，對(duì)電壓低于整組電池平均值一定量的單體電池，從整個(gè)電池組取得能量對(duì)該單體電池進(jìn)行輔助充電，提高各個(gè)單體電池之間的電壓一致性，從而增加串聯(lián)電池組的容量利用率。

圖1 均衡系統(tǒng)的原理框圖

2 測(cè)量單元的設(shè)計(jì)

測(cè)量單元在設(shè)計(jì)上應(yīng)盡量使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)先進(jìn)、合理、可擴(kuò)展。系統(tǒng)功能上要完備：各種參數(shù)測(cè)量精度高、EMC合格、可靠性高等。根據(jù)這一指導(dǎo)思想，電池的測(cè)量單元具體功能如下：電池信息實(shí)時(shí)采集，包括單體電壓、溫度、電池組總電壓、總充放電電流；存儲(chǔ)重要的電池信息、重要數(shù)據(jù)和系統(tǒng)狀態(tài)信息；提供數(shù)據(jù)傳送的接口，包括同上位機(jī)通訊和同船舶的其他系統(tǒng)（如監(jiān)控系統(tǒng)、報(bào)警系統(tǒng)）通訊以便于船員對(duì)電池情況進(jìn)行了解和控制；應(yīng)具備抗干擾性和良好的人機(jī)交互功能；在充、放電過(guò)程中對(duì)單體電池進(jìn)行診斷和相應(yīng)保護(hù)。

測(cè)量單元基于C8051單片機(jī)控制技術(shù)和CAN通訊技術(shù)構(gòu)造，采用分布式結(jié)構(gòu)，按積木化設(shè)計(jì)各個(gè)功能模塊。每個(gè)模塊可單獨(dú)布置在船艙內(nèi)，整個(gè)測(cè)量單元按功能劃分，主要由以下幾個(gè)部分構(gòu)成，即中央處理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、故障診斷模塊、外部通訊接口模塊和HMI控制模塊。管理單元的框圖見(jiàn)圖2。

圖2 測(cè)量單元的主要構(gòu)成框圖

測(cè)量單元包含多個(gè)數(shù)據(jù)采集模塊，它們都通過(guò)CAN總線(xiàn)與中央處理模塊相連，實(shí)現(xiàn)分布式測(cè)量。為了同船舶的其他系統(tǒng)通訊且不干擾電池均衡系統(tǒng)內(nèi)部各模塊的通訊，系統(tǒng)采用了另一條獨(dú)立的CAN總線(xiàn)，這里我們稱(chēng)之為外部CAN總線(xiàn)。外部通訊接口模塊在這里同時(shí)是兩個(gè)CAN網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)，起到網(wǎng)關(guān)的作用。

數(shù)據(jù)采集模塊也采用C8051f040作為其控制中心，利用其內(nèi)部集成的12位A/D直接對(duì)單體電池端電壓、溫度模擬信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，將采集數(shù)據(jù)發(fā)送到內(nèi)部CAN總線(xiàn)。

對(duì)于串聯(lián)成組的鋰電池組，在對(duì)單體電池端電壓進(jìn)行測(cè)量時(shí)，就存在共模電壓過(guò)高的問(wèn)題。在數(shù)據(jù)采集模塊中，對(duì)單節(jié)電池電壓測(cè)量采用AD629，AD629是AD公司新一代運(yùn)算放大器，它最大的特點(diǎn)是它可以在某些情況下代替隔離放大器，在雙電源供電時(shí)AD629輸入端可以耐高達(dá)500 V的共模電壓。在每個(gè)數(shù)據(jù)采集模塊中使用了10片AD629，每一片AD629的兩個(gè)輸入端分別接對(duì)應(yīng)電池的正負(fù)極，在AD629的輸出端得到此節(jié)電池電壓，這個(gè)電壓是對(duì)地電壓，從而解決了共模電壓高的問(wèn)題。

數(shù)據(jù)采集模塊中對(duì)單體電池溫度的測(cè)量采用了Dallas公司提供的數(shù)字式溫度傳感器芯片DS18B20。該溫度計(jì)采用了與眾不同的原理，它利用溫敏振蕩器的頻率隨溫度變化的關(guān)系，通過(guò)對(duì)振蕩周期的計(jì)數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量的。為了擴(kuò)大測(cè)溫范圍和提高分辨率，使用了一個(gè)低溫系數(shù)振蕩器和一個(gè)高溫系數(shù)振蕩器分別進(jìn)行計(jì)數(shù)，并采用了非線(xiàn)性累加器等電路來(lái)改善線(xiàn)性。

3 均衡單元的設(shè)計(jì)

在滿(mǎn)足電池組技術(shù)指標(biāo)要求的前提下，研制成了基于隔離型直流/直流開(kāi)關(guān)電源的串聯(lián)電池組均衡系統(tǒng)。均衡系統(tǒng)為每個(gè)單體電池配置一塊均衡單元，如圖3。

圖3 均衡單元主電路原理圖

每個(gè)均衡單元采用一個(gè)隔離型直流/直流開(kāi)關(guān)電源作為主要部件，如圖3的均衡單元采用了一個(gè)正激變換器構(gòu)成均衡輔助充電的主電路，根據(jù)電池的容量和電壓，變換器的種類(lèi)可以選擇其他類(lèi)型。1－隔離型的PWM開(kāi)關(guān)式直流－直流變換器（本圖例為一個(gè)正激變換器），用于從整個(gè)電池組兩端取得能量對(duì)落后的單體電池進(jìn)行補(bǔ)充；2－測(cè)量電阻或傳感器，用于測(cè)量補(bǔ)充的電流的實(shí)際值；3－恒流控制單元，如圖是一個(gè)簡(jiǎn)單的恒流閉環(huán)控制的示意圖，根據(jù)實(shí)際的需要，還可以擴(kuò)展為雙環(huán)的閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)功能：在未達(dá)到設(shè)計(jì)電壓時(shí)恒流工作，達(dá)到設(shè)計(jì)電壓時(shí)恒壓工作的功能；4－驅(qū)動(dòng)單元，由于控制器放在正激變換器的副端，所以控制原邊的功率開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通和關(guān)斷需要一個(gè)變壓器進(jìn)行隔離控制；5－隔離控制單元，該單元主要用于接收測(cè)量單元給出的信號(hào)，當(dāng)測(cè)量單元控制器認(rèn)為此時(shí)應(yīng)該對(duì)該單體電池補(bǔ)充充電，則給出一個(gè)低電平信號(hào)，均衡單元開(kāi)始工作。整體功能如下：主電路的輸出端串聯(lián)一個(gè)測(cè)量電阻，測(cè)量輸出的電流并轉(zhuǎn)化為電壓值輸入至控制環(huán)路；控制環(huán)路有一個(gè)運(yùn)放對(duì)輸出電流的電壓值進(jìn)行放大，輸入至誤差放大器，誤差放大器接成PI環(huán)進(jìn)行調(diào)節(jié)，輸出至PWM比較器，控制環(huán)路根據(jù)輸出電流采樣電壓值調(diào)節(jié)PWM脈沖寬度，從而調(diào)節(jié)輸出電流值與電流給定相等，實(shí)現(xiàn)對(duì)單體電池的恒流充電；PWM脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)由脈沖變壓器構(gòu)成的隔離驅(qū)動(dòng)部分，對(duì)正激電路原邊的開(kāi)關(guān)管進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制；同時(shí)在控制環(huán)路中增加由I/O端口控制的MOS管，用于接測(cè)量單元的數(shù)字信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)輔助充電電路的起?？刂啤?/p>

均衡單元采用隔離型開(kāi)關(guān)電源結(jié)構(gòu)，有利于實(shí)現(xiàn)串聯(lián)電池組對(duì)電壓電池落后于整體平均電壓的電池進(jìn)行電量的補(bǔ)充，它由測(cè)量單元通過(guò)I/O端口實(shí)現(xiàn)起/?？刂?。具體的，測(cè)量單元實(shí)時(shí)測(cè)量串聯(lián)電池組中每個(gè)單體電池的電壓，當(dāng)發(fā)現(xiàn)由單體電池的電壓落后于電池組平均電壓時(shí)（這一比較過(guò)程也可由均衡單元自己通過(guò)電壓比較器來(lái)完成），通過(guò)I/O給出低電平信號(hào)，均衡單元開(kāi)始工作為落后的電池進(jìn)行補(bǔ)充充電，實(shí)現(xiàn)串聯(lián)電池組電池的一致化。MOS管的開(kāi)關(guān)頻率可以達(dá)到100 kHz，可大幅縮減隔離變壓器體積和成本，適宜船用等空間緊張等環(huán)境。均衡單元對(duì)單體電池采用恒電流充電模式，可與主充電機(jī)同時(shí)進(jìn)行充電作業(yè)而不會(huì)互相干擾。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

當(dāng)有任一單體電池充電超過(guò)4.00 V時(shí)，關(guān)閉主充電機(jī)，由電池組測(cè)量單元自動(dòng)將電池繼續(xù)均衡直至單體電池電壓值之差不超過(guò)30 mV。

圖4 電池組電壓曲線(xiàn)

將主充電機(jī)、鋰電池組和均衡系統(tǒng)按圖1連接線(xiàn)路并接上電源，對(duì)電池組進(jìn)行均衡系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。首先啟動(dòng)測(cè)量單元，測(cè)量單元自動(dòng)判斷鋰電池組是否需要充電，如需要充電則自動(dòng)啟動(dòng)主充電機(jī)，監(jiān)控各個(gè)單體電池電壓與電池組平均電壓值的差值，如需要均衡則自動(dòng)啟動(dòng)對(duì)應(yīng)均衡單元。試驗(yàn)人員每隔10～20 min記錄一次當(dāng)前各個(gè)單體電池電壓值。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，我們繪制了通過(guò)電池均衡系統(tǒng)對(duì)電池組在充電過(guò)程2串2并電池組電壓曲線(xiàn)，見(jiàn)圖4。試驗(yàn)中我們通過(guò)對(duì)電池組放電人為的使得電池組內(nèi)電壓的不均衡，其中1＃電池初始電壓為3.1996 V，2＃電池初始電壓為3.4746 V，初始狀態(tài)電壓差值約275 mV。在主充電機(jī)進(jìn)行0.1C充電過(guò)程中通過(guò)均衡系統(tǒng)的不斷監(jiān)測(cè)，對(duì)落后電池不斷的進(jìn)行采用輔助充電。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，在整組電池充電總時(shí)間約1/3的時(shí)刻，1＃與2＃電池電壓基本均衡，之后電池組電壓差不超過(guò)5 mV。采用均衡系統(tǒng)后，在足夠的調(diào)整時(shí)間內(nèi)，可使得串聯(lián)充電的鋰電池組均衡性?xún)H取決于測(cè)量單元本身的電壓采樣精度?？梢钥闯鲈摼夥桨冈趯?shí)現(xiàn)中是可行的。

5 結(jié)束語(yǔ)

小容量鋰電池在民用領(lǐng)域等方面獲得了廣泛的應(yīng)用，而中、大容量的安全問(wèn)題一直備受關(guān)注，因此在船舶應(yīng)用中受到了限制。組合的電池組如果得不到外部監(jiān)測(cè)保護(hù)的精確均衡控制，對(duì)單體電池而言，無(wú)異于濫用從而引發(fā)安全事故。根據(jù)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)，本文提供了一種適用于串聯(lián)充電的鋰電池組各單體電池電量均衡的一種方案，并基于分析和試驗(yàn)驗(yàn)證了該方案中的有效性和實(shí)用性，也為后續(xù)的應(yīng)用提供了一個(gè)新思路。同樣還必須指出，這類(lèi)方案的設(shè)計(jì)思路其實(shí)還有很多，例如將均衡單元做成能量可雙向流動(dòng)的，這樣可以對(duì)電壓低的單體電池補(bǔ)充充電，而對(duì)電壓高的單體電池進(jìn)行放電，充電的來(lái)源和放電的去向都是電池組，這同樣也能達(dá)到均衡的效果而且也不帶來(lái)除轉(zhuǎn)換損耗之外的損耗，都可以作為今后研究的方向之一。

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Research on the Equilibrium Management of Lithium Batteries Connected in Series

Chen Lijian

(Wuhan Rule and Regulation Research Institute, China Classification Society, Wuhan 430022, China)

TM31

A

1003-4862（2013）04-0054-04

2012-08-30

陳立劍（1982-），男，碩士。研究方向：船舶電氣。