夏斌

【摘要】鋰電池組由多個(gè)單體電芯串聯(lián)組成，在使用過(guò)程中各單體電芯存在內(nèi)阻、電壓、自耗電和充放電容量的差異，這些差異直接影響電池組的充放電性能和使用壽命，當(dāng)前大多數(shù)均衡方法并不能達(dá)到節(jié)能降耗、高效準(zhǔn)確的均衡效果，甚至存在很多缺陷。提出一種鋰電池組動(dòng)態(tài)調(diào)整型主動(dòng)均衡方法，采用這種方法可以實(shí)現(xiàn)高效準(zhǔn)確地均衡，并真正意義上實(shí)現(xiàn)取長(zhǎng)補(bǔ)短以達(dá)到節(jié)能降耗的要求。

【關(guān)鍵詞】鋰電池;主動(dòng)均衡;電池管理系統(tǒng);一致性;荷電狀態(tài)

由于單個(gè)鋰電芯電壓較低，大約在3.7V左右，為達(dá)到設(shè)備的供電電壓，必須將多個(gè)鋰電芯串聯(lián)起來(lái)使用，已達(dá)到高壓目的。但是由于每個(gè)鋰電芯在生產(chǎn)過(guò)程中存在一致性的差異，使得每個(gè)單體電芯的電壓、內(nèi)阻、自耗電和充放電容量都有差異，這種差異直接影響到串聯(lián)后整個(gè)電池組的性能和壽命。目前市面上多數(shù)采用被動(dòng)耗散型的均衡策略來(lái)提高鋰電池的一致性。但是這種技術(shù)發(fā)熱量大、均衡電流小以及浪費(fèi)電池能量，不能起到取長(zhǎng)補(bǔ)短的作用，使得電池組中高電量的單體電芯不能充分發(fā)揮容量，整個(gè)電池組的容量取決于最小容量的單體電芯。

一些傳統(tǒng)主動(dòng)均衡技術(shù)也不實(shí)用，速率和能量利用率較為低下。大多數(shù)主動(dòng)均衡技術(shù)采用飛渡式電容模式和能量逐級(jí)搬移模式，這兩種模式缺點(diǎn)都是每次只能對(duì)一個(gè)單體電池補(bǔ)充電，速度非常低。在單體均衡充電電路中采用三極管、場(chǎng)效應(yīng)管及二極管來(lái)作為開(kāi)關(guān)控制和整流控制，由于這些晶體管本生特性會(huì)有PN節(jié)導(dǎo)通電壓存在，這樣在大電流均衡時(shí)PN節(jié)電壓普遍在0.4～2.0伏之間，以10A電流為例，耗散功率達(dá)到4～20瓦，發(fā)熱耗散掉很大一部分能量，導(dǎo)致電池電能的浪費(fèi)，特別是能量逐級(jí)搬移模式，每搬移到下一個(gè)單體，都會(huì)產(chǎn)生耗散，當(dāng)搬移距離較遠(yuǎn)時(shí)，可以說(shuō)和被動(dòng)均衡的效果一樣了，能量都在搬移的路上耗散殆盡，根本不能起到取長(zhǎng)補(bǔ)短的作用。本文設(shè)計(jì)的一種動(dòng)態(tài)調(diào)整型主動(dòng)均衡裝置電路，原理圖如圖1，采用“總對(duì)多”的均衡模式，一次可以對(duì)多個(gè)單體電池進(jìn)行均衡，在放電、充電和靜止?fàn)顟B(tài)都能進(jìn)行均衡，最大均衡電流可達(dá)到20A，不僅提高電池組的整體均衡速率，還大幅減小傳統(tǒng)均衡電路電能的耗散浪費(fèi)問(wèn)題，真正做到電池組電能的取長(zhǎng)補(bǔ)短和高效利用。

圖1 均衡電路原理圖

1.系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 電路主要功能設(shè)計(jì)

電壓高精度測(cè)量電路由3個(gè)主要部分組成，如圖1所示。

（1）供電部分，負(fù)責(zé)均衡能量的提供，由電池組BT1～BTN、續(xù)流二極管D1、線圈T1、PWM開(kāi)關(guān)MOS管Q1和保險(xiǎn)絲Fz構(gòu)成，目的是將電池組的總體能量從主線圈供應(yīng)給次級(jí)線圈。采用“總對(duì)多”即N對(duì)n主動(dòng)均衡策略，即利用電池組（數(shù)量N個(gè)單體）的電能對(duì)其中某幾個(gè)單體（數(shù)量n個(gè)單體）進(jìn)行同時(shí)補(bǔ)充電的策略，整數(shù)n

（2）測(cè)量反饋部分，負(fù)責(zé)均衡電流的測(cè)量反饋，由采樣電阻R2、差比例分放大電路、及RC濾波電路構(gòu)成，采用差分比例放大電路能有效地消除對(duì)地寄生電阻及共模信號(hào)的影響，保證測(cè)量的準(zhǔn)確性，并將電流信號(hào)放大10倍后傳輸給MCU的Iv腳。測(cè)得主線圈電流Iz次級(jí)線圈電流為Ix，電壓為Vx，同時(shí)均衡的單體個(gè)數(shù)為n，根據(jù)能量守恒原理，忽略回路的耗散損耗，均衡能量：

VDD*Iz=

均衡充電時(shí)Vx等于單體電芯兩端電壓Vcell，從而可以求出各單體平均電壓Vavg和平均電流Iavg。MCU根據(jù)各單體電池SOC或SOB及其極差大小動(dòng)態(tài)調(diào)整CtrZ的PWM占空比，從而調(diào)整了主線圈電流Iz和單體均衡充電電流Iavg，如果極差較大則會(huì)按照設(shè)定比例提高均衡電流，由于均衡各個(gè)單體電池SOC或SOB逐漸接近，通過(guò)調(diào)整占空比逐漸減小均衡電流的方式，達(dá)到高效和精準(zhǔn)地控制單體一致性的效果。

（3）均衡充電部分，負(fù)責(zé)對(duì)單體鋰電池進(jìn)行均衡充電，采用繼電器和大電流1045低導(dǎo)通壓降肖特基二極管D1n并聯(lián)組成同步DC/DC降壓充電電流開(kāi)關(guān)，TVS穩(wěn)壓管Dzn、Dxn與D1n起到同步PWM及繼電器開(kāi)關(guān)信號(hào)啟、停時(shí)刻的抗峰與續(xù)流作用。采用低內(nèi)阻（<5毫歐）繼電器Kn來(lái)作為主電流通路以去除二極管的導(dǎo)通耗散功耗，從而減少回路的能量耗散浪費(fèi)，使得絕大部分電流都不經(jīng)過(guò)D1n，在D1n上的損耗幾乎為0，為大電流均衡充電提供低溫低耗散、高能量利用率的硬件支持。同時(shí)還避免了利用晶體管控制開(kāi)關(guān)均衡傳統(tǒng)方案的控制電壓匹配問(wèn)題、晶體管傳導(dǎo)干擾問(wèn)題及失效缺陷，并大大簡(jiǎn)化了電路布線要求。

1.2 均衡啟停及電壓測(cè)量時(shí)序設(shè)計(jì)

為了簡(jiǎn)化電池組的接線操作，單體電壓采樣線與均衡電流回路線共用，為了避免有電流通過(guò)時(shí)產(chǎn)生壓降造成采樣誤差，于是采用均衡與采樣交替進(jìn)行的控制策略，調(diào)試過(guò)程如下圖2所示，均衡PWM信號(hào)如探頭2，具有固定頻率，而電壓采樣在探頭1波形的波谷段，即PWM停止段。探頭1為單體電芯均衡時(shí)的電壓波動(dòng)曲線，探頭2為PWM控制信號(hào)，PWM開(kāi)啟時(shí)段與停止時(shí)隙間隔須根據(jù)電池的極化特性及線圈電感值來(lái)調(diào)試和設(shè)置，考慮在線圈電流趨于0時(shí)應(yīng)開(kāi)啟一個(gè)新時(shí)段的PWM均衡充電或關(guān)閉繼電器停止均衡，避免電流通過(guò)繼電器反流到線圈而導(dǎo)致電芯放電。均衡開(kāi)啟時(shí)，電流根據(jù)各單體SOC或SOB及其極差大小逐漸上升到一個(gè)設(shè)定的比例值，避免產(chǎn)生電流尖峰損害電池。單體電壓可在啟動(dòng)PWM前20微秒內(nèi)進(jìn)行采樣5次，去除最高和最低的1次后求平均值得到。

圖2 均衡充電電壓波形與PWM控制信號(hào)時(shí)序圖

1.3 具體實(shí)施方式及控制流程

（1）電池組開(kāi)始初始標(biāo)定，滿充單體電芯，MCU監(jiān)測(cè)單體電芯的空載電壓。

（2）電池組0.2C恒流放電，檢測(cè)電流及檢測(cè)單體電池放電瞬間帶載電壓，計(jì)算并記錄單體電池內(nèi)阻DCR，每當(dāng)放電瞬間且電流大于等于0.1C時(shí)，根據(jù)單體電池放電前電壓和放電后瞬間電壓之差ΔV/電流I=單體電池內(nèi)阻DCR。

（3）每隔一段時(shí)間記錄單體電池電壓及容量，測(cè)得放電時(shí)刻電壓Vdx，去除內(nèi)阻分壓來(lái)計(jì)算空載特征電壓Vdkx，通過(guò)“實(shí)時(shí)電流I-時(shí)間Δt”數(shù)據(jù)積分計(jì)算已放電容量Cd，SOC%=1-Cd/C，直到放電完畢（此時(shí)電池容量C=Cd），構(gòu)建單體電池放電SOC%-Vdkx曲線數(shù)據(jù)模型，如圖3所示。

圖3 SOC及SOB百分比-空載特征電壓 曲線模型圖

（4）電池組開(kāi)始充電，每隔一段時(shí)間記錄單體電芯電壓及容量，測(cè)得充電時(shí)刻電壓Vcx，去除內(nèi)阻分壓來(lái)計(jì)算空載特征電壓Vckx，通過(guò)“實(shí)時(shí)電流I-時(shí)間Δt”數(shù)據(jù)積分計(jì)算已充電容量Cc，SOB%=1-Cc/C，直到充電完畢（此時(shí)電池容量C=Cc），構(gòu)建單體電池充電SOB%-Vckx曲線數(shù)據(jù)模型;如圖3所示，電池組初始數(shù)據(jù)標(biāo)定完畢。

（5）正常使用，測(cè)量計(jì)算單體電池內(nèi)阻DCR及放電容量，測(cè)量單體電池電壓，并去除內(nèi)阻分壓來(lái)計(jì)算空載電壓。

（6）當(dāng)電池組放電到設(shè)定容量百分比包含靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)、空載電壓Vdkx極差大于20mV且系統(tǒng)未出現(xiàn)異常失效狀態(tài)的情況下開(kāi)啟均衡，對(duì)空載電壓最低的n個(gè)單體電池進(jìn)行充電，MCU根據(jù)各單體電芯SOC及其極差大小動(dòng)態(tài)調(diào)整CtrZ端的PWM占空比，從而調(diào)整了單體均衡充電電流，直到空載電壓達(dá)到平均值，判斷單體電池空載電壓極差是否小于設(shè)定值，否則繼續(xù)均衡，是則停止均衡，直到放電完畢。

（7）電池組開(kāi)始充電并測(cè)量計(jì)算充電容量，測(cè)量單體電池電壓，并去除內(nèi)阻分壓來(lái)計(jì)算空載電壓。

（8）當(dāng)電池組充電到設(shè)定容量百分比、空載電壓Vdkx極差大于20mV且系統(tǒng)未出現(xiàn)異常失效狀態(tài)的情況下開(kāi)啟均衡，對(duì)空載電壓最低的n個(gè)單體電池進(jìn)行充電，MCU根據(jù)各單體電芯SOB及其極差大小動(dòng)態(tài)調(diào)整CtrZ端的PWM占空比，從而調(diào)整了單體均衡充電電流，直到空載電壓達(dá)到平均值，判斷單體電池空載電壓極差是否小于設(shè)定值，否則繼續(xù)均衡，是則停止均衡，直到充電完畢。

（9）均衡停止策略，當(dāng)出現(xiàn)溫度保護(hù)、電池故障失效、空載電壓達(dá)到平均值、極差小于設(shè)定值（如：10mV）、關(guān)機(jī)或休眠時(shí)關(guān)閉均衡。

2.總結(jié)

本文設(shè)計(jì)的一種鋰電池組動(dòng)態(tài)調(diào)整型主動(dòng)均衡方法具有速率高、準(zhǔn)確性高、能量利用率高、性能可靠、功能實(shí)用等特點(diǎn)，在國(guó)光集團(tuán)下屬?gòu)V東國(guó)光電子有限公司實(shí)際應(yīng)用效果良好，特別是適合電動(dòng)汽車、儲(chǔ)能電站等高容量、高能效比、高可靠性應(yīng)用需求的環(huán)境，并且真正做到電芯電能取長(zhǎng)補(bǔ)短和高效利用，有效提高電池組壽命，減少了能量的耗散浪費(fèi)，符合國(guó)家節(jié)能環(huán)保的戰(zhàn)略方針。這種方法的缺點(diǎn)是成本比傳統(tǒng)均衡方案略微增加。

參考文獻(xiàn)

[1]郭銀景.電磁兼容原理及應(yīng)用教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

[2]陳威.DC/DC變流器的柔性變拓?fù)溲芯縖D].杭州：浙江大學(xué)，2009.

[3]張占松，蔡宣三.開(kāi)關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005.

[4]黃文華，韓曉東.電動(dòng)汽車SOC估計(jì)算法與電池管理系統(tǒng)的研究[J].汽車工程，2007（3）：23-24.

[5]何莉萍，鐘志華.基于DSP的電動(dòng)汽車電源管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].湖南大學(xué)學(xué)報(bào)，2009（5）：56-57.