何志剛，鄭亞峰，孫文凱，陳上偉

(1.江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212013; 2.山東新大洋電動車有限公司，山東臨沂 276000)

采用容性電路的BMS主動均衡方法

何志剛1，鄭亞峰1，孫文凱2，陳上偉1

(1.江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212013; 2.山東新大洋電動車有限公司，山東臨沂 276000)

針對目前電動汽車用動力電池一致性差，需對電池組中各單體電池間進行均衡控制的問題，在分析現(xiàn)有均衡方案后提出了基于容性電路的主動均衡方法。以國內(nèi)某電動汽車上使用的電池為例，在Matlab/Simulink軟件中建立主動均衡模型，仿真效果理想。

容性電路;主動均衡;模擬仿真

單個電池的能量無法驅(qū)動汽車，需要通過將多個單體電池串聯(lián)組成電池組，存儲相當(dāng)?shù)哪芰縼眚?qū)動車輛。然而制造工藝和使用條件的限制導(dǎo)致電池組中各個單體特性有差異。這些差異通過電壓差、容量差等形式表現(xiàn)出來，并在電池組使用過程中進一步加大，長此以往，將影響電池組的整體使用性能，甚至造成電池組的損壞。為減小電池組中各單體間的差異，保證電池組的正常使用，本文提出了一種基于容性電路的主動均衡策略。

1 本文方法的提出

均衡方案根據(jù)能量流動的方式主要分為被動均衡和主動均衡。被動均衡方式由于能量消耗大不適合在電動汽車上使用。文獻［1-3］提出了幾種具有代表性的主動均衡方案，但均沒有成熟的應(yīng)用經(jīng)驗，且試驗效果不能完全令人滿意。文獻［4］雖然同時應(yīng)用電感和電容參與能量轉(zhuǎn)移，但電容、電感使用數(shù)量過多，且能量只能在相鄰的單體間傳遞，均衡過程中能量消耗較大。本文在結(jié)合已有均衡方案優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，提出一種單電容、電感同時參與均衡的方式。該方案控制簡單且能量不必在電池單體間逐個傳遞，降低了能量損耗，實現(xiàn)了真正的穩(wěn)定均衡。

2 電路實現(xiàn)原理及策略

本文設(shè)計每節(jié)電池兩端分別通過一個開關(guān)管連接在電容電感的兩端。每個單體電池的正負(fù)極兩端的開關(guān)管由同一個PWM脈沖控制開斷，單片機發(fā)送PWM波控制開關(guān)管的通斷，原理見圖1。

圖1 均衡電路設(shè)計原理

圖1中:Q1、Q2由同一個PWM控制開斷，Q3，Q4由同一個PWM控制開斷。假定充放電過程中1號電池為最高電壓單體電池，24號電池為最低電壓單體電池。當(dāng)均衡功能開啟時，Q1，Q2同時導(dǎo)通，1號電池對電容充電，電感起緩沖電流防止電流過大的作用;充電結(jié)束后，Q1，Q2同時關(guān)斷，Q47，Q48同時打開，電容對24號電池充電，從而實現(xiàn)能量由高往低的轉(zhuǎn)移。

均衡動作的命令由單片機發(fā)出，符合電動汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)［5］要求。單體電池電壓的采集誤差為滿量程的0.5%。本文采用的電池為3.65 V，10 Ah的錳酸鋰電池，測量誤差ΔV=3.65× 0.5%=18 mV。因此，當(dāng)壓差在20 mV以內(nèi)時，為防止因采集誤差造成誤均衡，設(shè)定均衡的上下限分別為40，20 mV。當(dāng)采集模塊監(jiān)測到24節(jié)電池組中任意2節(jié)電池單體壓差達(dá)到40 mV時，開啟相應(yīng)的電池單體均衡模塊，以4 A左右的電流進行均衡。均衡末期，當(dāng)2節(jié)電池的電壓差小于設(shè)定值20 mV時，均衡模塊關(guān)閉，實現(xiàn)閉環(huán)控制。均衡控制流程如圖2所示。

圖2 均衡控制流程

3 仿真驗證

3.1 仿真模型建立

本文基于Matlab/Simulink建立仿真模型，以2 節(jié)3.65 V，10 Ah錳酸鋰電池作為仿真對象，模擬驗證1～24號電池的均衡過程。模型中含有5個子模塊，可實現(xiàn)硬件電路中單片機的采集、判斷、控制以及分析計算等相關(guān)的功能。B1，B2為2個電池模塊，用于模擬均衡電路中的2個均衡對象。均衡仿真模型如圖3所示。

對上述模型詳細(xì)說明如下:模塊1為判別模塊，仿真中將2節(jié)電池電壓信息輸入判別模塊;當(dāng)滿足均衡開啟條件即壓差大于40 mV時，均衡模塊自動開啟，設(shè)定20 mV為均衡目標(biāo);當(dāng)壓差小于20mV時，均衡停止。模塊1如圖4所示。

圖3 均衡仿真模型

圖4 判別模塊

模塊2用于產(chǎn)生2組相位相反的PWM波，分別用于控制MOSFET1、3和MOSFET2、4的開通與斷開，當(dāng)均衡完成后自動停止發(fā)送PWM波。模塊3用于判別均衡方向，在準(zhǔn)確自動地識別出高單體電池和低單體電池后，讓高電壓單體電池給低電壓單體電池充電，模塊3如圖5所示。

如表1所示，恩施州整體旅游接待人次、旅游綜合收入、旅行社個數(shù)、A級景區(qū)個數(shù)、五星級農(nóng)家樂以及星級飯店數(shù)都是呈現(xiàn)上升趨勢，而且增長明顯。恩施州旅游接待人次從2012年的21 985 802人次上升到2016年的43 663 382人次，5年間增長了約98.6%。旅游綜合收入增長更加顯著，從2012年的1 195 524萬元增長至2016年的3 004 847萬元，增長率達(dá)到151.34%。到2016年底，恩施州高級旅游景點數(shù)量和旅游業(yè)綜合排名均進入“全省四強”。旅游業(yè)具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

圖5 判別均衡方向模塊

模塊4用于測量流經(jīng)電容電感的電流以及電容兩端的電壓。B1，B2為使用的電池模型，電池的電動勢用受控恒壓源來表示，通過給受控恒壓源信號來調(diào)整電動勢的大小，電池的充、放電電量通過對電流積分的累加來模擬［6］。Fcn函數(shù)為通過電池參數(shù)計算電池的輸出電壓。電池仿真模型如圖6所示。

圖6 電池仿真模型

模型中電池輸出電壓為

式(1)中:E為開路電壓;E0為端電壓;K為極化電壓;Q為電池容量;A為指數(shù)電壓;B為指數(shù)容量。

本文的電池模型相關(guān)參數(shù)由臺架實測的電池放電曲線推導(dǎo)而來。圖7所示為某錳酸鋰放電測試試驗在不同的放電倍率下電池的放電曲線。

圖7 不同放電倍率放電曲線

由圖7中數(shù)據(jù)經(jīng)擬合得出仿真參數(shù)為:E0= 3.869 9，R=0.003，K=0.020 913，A=0.203 5，B=3.75。將參數(shù)代入式(1)可以設(shè)置仿真開始時的初始電池電壓。

3.2 模型參數(shù)確定及損耗分析

方案中采用電容作為儲能元件，電感作為緩沖電流的器件，并以效率、速度作為評判均衡模型效果的兩大標(biāo)準(zhǔn)。由于采用的電池為10 Ah的錳酸鋰電池，為防止均衡電流過大對電池產(chǎn)生損害，設(shè)定最大目標(biāo)均衡電流為0.4 C。電路中選定的電容值為470 μF，電感不作為儲能元件，選定的值較小，約2.2 μH。開關(guān)切換時間是關(guān)鍵因素，如果該時間過短，則電容充電不足，不能進行能量的傳遞;若時間過長，則影響均衡速度。在RLC電路中，由公式推導(dǎo)得出電路屬性:

當(dāng)式(2)等于零時，電路發(fā)生諧振現(xiàn)象，f稱為諧振頻率，此時電路阻抗達(dá)到最小，電流達(dá)到最大值，代入電容電感值計算可得f=4.952 kHz，開關(guān)周期為:T=2.02╳10-4;當(dāng)式(2)小于零時，電路為容性電路，電路時間常數(shù)τ=RC。MOSFET管的開關(guān)周期應(yīng)滿足:

式(3)中:R為電路中MOSFET導(dǎo)通狀態(tài)時的等效電阻;C為RLC電路中的電容值。

本文以z4468為例。導(dǎo)通電阻為15 mΩ，每個回路中有2個MOS管，代入式(2)計算得出T大于等于1.551×10-4s。因本文是采用容性電路建立的均衡模型，基于以上計算，選取MOSFET管的開關(guān)頻率為5 kHz。此時，電路為容性電路且開關(guān)頻率接近諧振頻率，電路損耗較低。電池內(nèi)阻和MOSFET損耗是電路損耗的主要來源。電池內(nèi)阻損耗屬于不可控因素。MOSFET的損耗主要分為導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗［7］，可分別計算得出。

導(dǎo)通損耗:

其中:Id為MOSFET管導(dǎo)通時的電流;Rds為MOSFET的導(dǎo)通內(nèi)阻。

其中:fs為MOSFET開關(guān)的頻率;VDD為漏極電源電壓;ID為漏極電流;T1為MOSFET管開通時間，T2為關(guān)斷時間。

MOSFET的開關(guān)損耗與開關(guān)頻率成正比，本文采用的頻率為5 kHz。根據(jù)文獻［8-9］可知:在此頻率下MOSFET的損耗主要來自導(dǎo)通損耗。模型中模塊5用于測量MOSFET管導(dǎo)通過程中產(chǎn)生的損耗。

3.3 仿真結(jié)果與分析

為防止電感工作在滿負(fù)荷狀態(tài)，本文設(shè)定開關(guān)管的占空比略小于50%。由于電路中損耗主要來自MOSFET管在導(dǎo)通時產(chǎn)生的熱量，且4個MOSFET管的工作狀況相同，故設(shè)置一個監(jiān)視模塊觀測其中一個MOSFET管工作時的發(fā)熱情況，仿真結(jié)果見圖8。

圖8 2個單體電池兩端的電壓

由圖8可以看出:在預(yù)設(shè)2節(jié)單體電池的端電壓分別為4.0 V和3.9 V時，滿足均衡開啟條件，均衡模塊開啟，均衡效果明顯，在700 s的時間內(nèi)完成壓差為100 mV的均衡。由圖9可以看出:一個MOSFET管在整個均衡過程中的損耗，峰值損耗功率在0.25 W左右。結(jié)合本文所做的損耗分析模型并對電路中各部分電流電壓的乘積進行積分可得出電路中各個部分的能量流動情況。以0.1 s內(nèi)能量轉(zhuǎn)化情況為例，計算結(jié)果如表1所示。

圖9 MOSFET管的功率損耗

表1 均衡電路各部分能量值

由表1結(jié)果可知:均衡電路的能量轉(zhuǎn)化效率高達(dá)97.97%;MOSFET的損耗占電路損耗比重最大，達(dá)60%;其余損耗來自電池內(nèi)阻以及電容電感在能量轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生的損耗。綜上可得:此均衡電路均衡效果較好，效率較高。在均衡末期，當(dāng)2塊電池的電壓差不大于20 mV時，均衡模塊關(guān)閉，實現(xiàn)了閉環(huán)控制。

4 結(jié)束語

本文針對動力鋰離子電池組一致性問題提出了一種經(jīng)濟、高效的均衡方案，并提出以效率、速度作為評判均衡電路效果的兩大標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)設(shè)計原理搭建了Simulink模型進行仿真，仿真均衡效果理想，為電池成組提供了無損均衡的充放電解決方案。由于電池仿真模型來源于實車電池包單體電芯，因此本文所提出的電容電感均衡方案具有較高的理論參考價值及實際指導(dǎo)意義。

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(責(zé)任編輯 劉舸)

Active Equalization Scheme in BMS Based on Capacitor Circuit

HE Zhi-gang1，ZHENG Ya-feng1，SUN Wen-kai2，CHEN Shang-wei1
(1.College of Automobile and Traffic Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang 212013，China; 2.Shandong Xindayang Electric Vehicle Co.Ltd.，Linyi 276000，China)

According to the electric vehicle power battery un-consistent problem，battery management system is needed to settle the un-consistent problem of batteries in the electric vehicle.Based on the analysis of existing equalization scheme，this paper introduced an active equalization method with capacitive circuit.One kind of battery used in a domestic electric vehicle is set as an example and the active equilibrium model is established in matlab/Simulink software.The simulate results show that this scheme meets the expected requirement.

capacitive circuit;active equilibrium;simulation

U469.72

A

1674-8425(2014)08-0013-05

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2014.08.003

2014-02-17

何志剛(1975—)，男，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事電動汽車方面研究。

何志剛，鄭亞峰，孫文凱，等.采用容性電路的BMS主動均衡方法［J］.重慶理工大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2014(8):13-17.

format:HE Zhi-gang，ZHENG Ya-feng，SUN Wen-kai，et al.Active Equalization Scheme in BMS Based on Capacitor Circuit［J］.Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science，2014(8):13-17.