耿 楠

(安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系， 安徽 蕪湖 241000)

0 前 言

目前鋰離子電池作為便攜電源的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，多個(gè)鋰電池單體通過一定的串、并聯(lián)的方式組成高電壓、大電流的電池組，就可以應(yīng)用于電壓高、容量大的場(chǎng)合。實(shí)際應(yīng)用中單體鋰電池?zé)o法做到完全一致，這種不一致性會(huì)導(dǎo)致電池組中部分電池單體在使用過程中出現(xiàn)過充或過放的現(xiàn)象，長(zhǎng)期的過充過放不僅使電池組的容量不能得到充分高效利用，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)痣姵乇ǎs短電池的使用壽命[1-2]。為了提高電池組能量的實(shí)際效能和保證電池的安全使用，對(duì)電池組內(nèi)各單體電池采取有效的均衡措施非常必要。

對(duì)均衡控制策略和均衡電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的研究是電池組均衡技術(shù)兩大方向[ 3]?？茖W(xué)的均衡控制策略首先要合理選擇均衡變量，采用較多的有電池電壓和荷電狀態(tài)(SOC)等變量，由于鋰電池充放電時(shí)的非線性和SOC值實(shí)時(shí)估算精度較低的原因，應(yīng)用中很少使用。均衡模塊主電路結(jié)構(gòu)從能量損耗的角度分為耗散型和非耗散型，熱點(diǎn)集中在對(duì)非耗散型均衡電路的研究，包括變換器型、隔離式變壓型、電容型等多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

本文選取擱置階段的均衡變量為單體電池開路電壓，充放電階段的均衡變量為單體電池工作電壓，提出基于儲(chǔ)能電感型電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的雙向動(dòng)態(tài)無(wú)損均衡系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，采用可擴(kuò)展電池管理控制器bq78PL116芯片制作了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。結(jié)果表明該方案能高效地完成電池組的均衡管理任務(wù)。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

儲(chǔ)能電感型雙向動(dòng)態(tài)無(wú)損均衡系統(tǒng)工作原理如下：電池管理控制器首先采集電池組內(nèi)每節(jié)單體電池的電壓，然后對(duì)采集來(lái)的電壓數(shù)據(jù)加以處理，根據(jù)處理結(jié)果和所采取的控制策略，輸出脈沖信號(hào)控制與相應(yīng)單體電池連接的電力開關(guān)管的通斷，從而以控制的差異接通和斷開相應(yīng)的充電或放電電路，實(shí)現(xiàn)能量的快速轉(zhuǎn)移，有效降低電池組中相應(yīng)單體電池的電壓及SOC，達(dá)到電池均衡的目的[4]。

均衡管理系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，其硬件電路大體可分為電池管理控制器模塊、擴(kuò)展模塊、電感型雙向無(wú)損均衡模塊、單體電池電壓檢測(cè)模塊、電流檢測(cè)模塊、安全保護(hù)模塊和SMbus通信電路等模塊。

圖1 均衡系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

2 電感型雙向無(wú)損均衡模塊設(shè)計(jì)

電感型雙向無(wú)損均衡模塊主電路結(jié)構(gòu)如圖2所示，模塊包括5個(gè)子電路(圖中虛線框中部分)，可以完成6節(jié)電池單體的均衡功能[ 5]。子電路以Buck-Boost電路為基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且擴(kuò)展方便，在電池組單體節(jié)數(shù)發(fā)生變化時(shí)，略加改動(dòng)便能滿足要求。由于電池組串聯(lián)節(jié)數(shù)過多會(huì)導(dǎo)致均衡時(shí)間增加，可將電池組分成若干個(gè)小組，并將一個(gè)小組看作一節(jié)單體電池，采用同樣的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)均衡，以縮短電池組均衡時(shí)間。若電池組數(shù)量較多時(shí)，還可采取再添加上層均衡模塊的辦法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.1 均衡子電路結(jié)構(gòu)

由圖2可看到，Cell1和Cell2為相鄰的2節(jié)電池，由與其連接的一個(gè)子電路實(shí)現(xiàn)均衡。L1為儲(chǔ)能電感，R1為消磁電阻，Q1_a是N溝道電力場(chǎng)效應(yīng)管，跨接在Cell2兩端，Q1_b是P 溝道電力場(chǎng)效應(yīng)管，跨接在Cell1兩端。兩只電力場(chǎng)效應(yīng)管相互配合，控制相鄰2節(jié)電池均衡充電回路的通斷；D1_a和D1 _b是2個(gè)電力場(chǎng)效應(yīng)管的二極管，構(gòu)成均衡放電回路。每個(gè)均衡子電路的工作不受干路電流的影響，因此可在電池組充電、放電或擱置等任意階段工作；另外均衡子電路中能量流動(dòng)是雙向的，可以同時(shí)對(duì)電池組中多個(gè)相鄰的電池對(duì)進(jìn)行充放電均衡，以便縮短均衡時(shí)間，提高均衡效率。

圖2 均衡模塊電路原理圖

2.2 均衡子電路工作模態(tài)分析

均衡電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不制約均衡變量的選取[ 6]，以電池工作電壓E作為均衡變量，用Ei表示第i節(jié)電池的工作電壓。假設(shè)E1>E2，且電壓差值超過電池組不一致性設(shè)定值，要求采取均衡措施，均衡過程包括Cell1放電和Cell2充電和電感消磁3個(gè)工作模態(tài)。

圖3 均衡子電路工作過程

(1)Cell1放電階段。Cell1放電時(shí)，控制器輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，使電力場(chǎng)效應(yīng)管管Q1_b導(dǎo)通，Q1_b、L1和Cell1構(gòu)成放電回路，放電電流方向如圖3( a)所示。此時(shí)電感L1將電能轉(zhuǎn)換為磁能并儲(chǔ)存起來(lái)，電感兩端電位b節(jié)點(diǎn)處為正，a節(jié)點(diǎn)處為負(fù)，放電電流從零開始逐漸增加到最大值。

(2)Cell2充電階段。電力場(chǎng)效應(yīng)管Q1_b關(guān)斷后，儲(chǔ)存于電感中的磁能釋放，使電感中的電流仍維持原來(lái)方向，如圖3(b)所示。這一階段，電感兩端電位a節(jié)點(diǎn)處為正，b節(jié)點(diǎn)處為負(fù)，電感相當(dāng)于一個(gè)電源給Cell2充電，充電回路由D1 _a、L1和Cell2構(gòu)成，充電電流從放電階段的最大值開始逐漸減小，當(dāng)充電電流減小到零時(shí)，充電階段才完成。

(3)L1消磁階段：在充電階段由于回路中續(xù)流二極管D1 _a存在導(dǎo)通壓降，以致充電結(jié)束時(shí)，雖然充電電流減小到零，儲(chǔ)能電感L1中仍有部分磁能未完全釋放而留有剩磁，為了保持電感的儲(chǔ)能作用，必須進(jìn)行消磁處理，即通過增設(shè)消磁電阻R1，將電感存儲(chǔ)的剩余能量在電阻中消耗掉。這個(gè)過程中，續(xù)流二極管D1 _a反向截止，電力場(chǎng)效應(yīng)管Q1_a可等效為它的輸出電容C1，電池Cell2也可等效為一個(gè)大電容C2，如圖3 (c)所示，消磁回路是由L1、R1、C1和C2等組成RLC衰減振蕩電路，能夠?qū)㈦姼蠰1中剩磁以諧振的方式快速消耗掉，使電感磁復(fù)位。

以上分析是E1>E2情況下的均衡子電路工作過程，控制連接于Cell1兩端的電力場(chǎng)效應(yīng)管Q1_b導(dǎo)通，通過電感的中間作用將能量是從Cell1傳遞給Cell2；如果E2>E1，則控制與Cell2相連的電力場(chǎng)效應(yīng)管Q1_a導(dǎo)通，電路的工作過程與以上分析相同，能量是從Cell2傳遞給Cell1。由上述均衡子電路工作狀態(tài)可見，該電路能夠高效實(shí)現(xiàn)相鄰單體間能量的雙向轉(zhuǎn)移。

2.3 均衡子模塊電路仿真

為檢驗(yàn)均衡子模塊電路的工作效果，應(yīng)用PSPICE軟件搭建該均衡子電路仿真模型[7]，如圖4所示。子電路中的電力場(chǎng)效應(yīng)管采用Model Editor軟件建立，使用脈沖電壓源產(chǎn)生電力場(chǎng)效應(yīng)管的控制信號(hào)，用恒壓源代替鋰離子電池，電路的阻抗由電阻R2和R3代替。

圖4 均衡子電路PSPICE 仿真模型

圖5 仿真波形

設(shè)定各元件參數(shù)如下：電力場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通電阻為30 mΩ，體二極管導(dǎo)通壓降VD取 0.8 V，L取10 μH，消磁電阻R1取20kΩ，線路電阻R2和R3取20 mΩ，Cell1的電壓E1取3 V且認(rèn)為在一次均衡過程中該值不變，Cell2的電壓E2取2.9 V。仿真分析類型選擇瞬態(tài)分析，設(shè)定運(yùn)行時(shí)間為1ms，最大仿真步長(zhǎng)1 μs。均衡工作周期取36 μs，占空比為50%的情況下，仿真波形如圖5所示，圖中自上而下分別為電力場(chǎng)效應(yīng)管控制信號(hào)、電力場(chǎng)效應(yīng)管漏極電壓和電感電流變化情況。

仿真波形顯示：在Cell1放電階段，Q1_b導(dǎo)通，電感電流由從零開始逐漸增大到最大值，電感儲(chǔ)存能量；Cell2充電階段，電感電流從最大值下降到0的過程中，電感釋放儲(chǔ)能；在L1消磁階段，電力場(chǎng)效應(yīng)管漏極電壓會(huì)出現(xiàn)衰減震蕩，使電感磁復(fù)位。仿真的結(jié)果與以上對(duì)均衡子電路工作模態(tài)的工作原理分析相吻合。

3 均衡管理系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

均衡管理系統(tǒng)的主控制器需要對(duì)電池組內(nèi)每節(jié)單體電池的電壓、均衡充放電時(shí)的電流和電池溫度進(jìn)行采集和處理，數(shù)據(jù)的容量大、傳輸快，同時(shí)還要具有多路控制電力場(chǎng)效應(yīng)管的PWM信號(hào)。根據(jù)系統(tǒng)以上要求，選用美國(guó)德州儀器公司的可擴(kuò)展電池管理控制器bq78PL116作為主控芯片，與雙電池監(jiān)控器bq76PL102級(jí)聯(lián)，擴(kuò)展為可對(duì)6節(jié)鋰離子電池均衡的管理系統(tǒng)[8]。

圖6 均衡管理系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)整總體流程圖

圖7 均衡控制子程序流程圖

均衡管理系統(tǒng)軟件主要程序模塊有主程序和子程序，子程序又包括數(shù)據(jù)采集子程序、均衡控制子程序以及通信子程序，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)總體流程如圖6所示。均衡管理系統(tǒng)加電后，首先系統(tǒng)初始化，接著對(duì)每個(gè)單體電池的工作電壓、電流及溫度信號(hào)進(jìn)行采樣，并把采集的數(shù)據(jù)傳送到主控元件相應(yīng)的內(nèi)存中，再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，同時(shí)查詢上位機(jī)有無(wú)數(shù)據(jù)請(qǐng)求指令，有則傳送到相應(yīng)的上位電池管理軟件。如滿足均衡條件并符合監(jiān)管系統(tǒng)的判斷結(jié)果，那么則操作均衡電路進(jìn)行均衡處理，并進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測(cè)，否則直接返回參數(shù)檢測(cè)。在本均衡管理系統(tǒng)軟件中，均衡控制子程序是整個(gè)軟件系統(tǒng)的重心部分，均衡控制流程如圖7所示。首先讀取每節(jié)單體電池的電壓Ei、檢索出Emax(最大值)、Emin(最小值)，得出兩者之差ΔV，由此判斷電壓差值是否超過均衡啟動(dòng)設(shè)定值Vset。如果大于Vset，則啟動(dòng)均衡管理，電壓最高或最低的電池單體首先滿足條件，從而對(duì)高電壓電池實(shí)現(xiàn)順向均衡，對(duì)低電壓電池實(shí)行逆向均衡，如不滿足均衡條件則退出均衡處理子程序。

4 實(shí)驗(yàn)分析

采用可擴(kuò)展電池管理控制器bq78PL116制作了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，電力開關(guān)管選擇仙童公司的FDD8424型N&P溝道電力場(chǎng)效應(yīng)管，其他元件按以上參數(shù)選擇，并按上述均衡控制要求編寫相應(yīng)程序，編譯并下載到主控芯片bq78PL116中。

實(shí)驗(yàn)先以兩節(jié)電池為均衡對(duì)象，選擇兩塊電壓差為200 mV 的20Ah磷酸鐵鋰電池接入系統(tǒng)，利用示波器觀察均衡模塊電路工作情況，捕獲到電力場(chǎng)效應(yīng)管漏源電壓和電感電流波形如圖8所示。由此可見，均衡子電路工作狀況能夠?qū)崿F(xiàn)該系統(tǒng)應(yīng)有的功能。

圖8 均衡模塊電路工作波形

隨后取6節(jié)20Ah 磷酸鐵鋰電池組成電池組進(jìn)行擱置均衡試驗(yàn)，分別記錄均衡前的電池電壓值和均衡后的電池電壓值(表1)，并對(duì)這兩組電壓值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果是均衡前電池組內(nèi)最大電壓差為119 mV，均衡后降為7 mV，有效降低了電池組內(nèi)電池單體的不一致性。

表1 擱置階段均衡前后電池組電壓數(shù)據(jù)對(duì)照表 V

5 結(jié) 語(yǔ)

鋰電池單體的不一致性會(huì)影響電池組的使用效能，甚至?xí)?dǎo)致使用時(shí)的安全問題。本文采取在不同階段選取適合的均衡變量，應(yīng)用TI公司的可擴(kuò)展電池管理控制器bq78PL116作為主控芯片，采用電感型雙向無(wú)損均衡模塊主電路結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)并制作了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文所設(shè)計(jì)的雙向動(dòng)態(tài)無(wú)損均衡管理系統(tǒng)可以有效完成對(duì)鋰電池組的均衡與管理，為鋰離子電池的推廣應(yīng)用提供了很好的解決方案。

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