龔敏明，王占國，馬澤宇，林思岐，鄭林鋒

(北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，北京100044)

鋰離子電池組在線均衡系統(tǒng)設(shè)計(jì)

龔敏明，王占國，馬澤宇，林思岐，鄭林鋒

(北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，北京100044)

分析鋰離子電池組不一致性產(chǎn)生的原因，闡述了電池組均衡的意義。在分析現(xiàn)有均衡電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出一種3 A電流充電均衡電路，完成了電池組在線均衡系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)。以電池組容量利用最大化為均衡目標(biāo)，提出了電池組在線均衡控制策略。最后搭建電池組均衡測(cè)試平臺(tái)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了在線均衡系統(tǒng)及控制策略的可行性和可靠性。

鋰離子電池；電池一致性；充電均衡電路；在線均衡策略

動(dòng)力鋰離子電池作為電動(dòng)汽車的能量來源或儲(chǔ)能系統(tǒng)能量儲(chǔ)存載體時(shí)，往往需要通過串并聯(lián)成組以滿足系統(tǒng)電壓、功率和能量需求。然而電池成組后由于電池間不一致性問題的出現(xiàn)，整組性能將差于組內(nèi)單體電池性能總和。不一致性問題產(chǎn)生的原因主要可以分為兩大類：(1)初始性能的不一致性，由于電池生產(chǎn)過程存在工藝和材質(zhì)的差異，造成電池在初始容量、直流內(nèi)阻、自放電率和充放電效率等性能存在差異[1]。(2)成組使用過程的不一致性，一方面是電池初始性能的差異性在使用過程逐漸累積和放大，另一方面是電池使用環(huán)境(溫度和通風(fēng)條件等)存在差異，導(dǎo)致各電池以不同速率衰退[2]。隨時(shí)間的推移，電池組不一致性問題加劇，將會(huì)嚴(yán)重影響電池組可用容量、使用壽命和可靠性。電池組均衡技術(shù)作為解決電池組不一致性問題的主要手段，對(duì)電池成組使用有著重要的意義。

目前電池組均衡方案比較多，文獻(xiàn)[3]提出能耗型均衡方案，該方案由電池旁路開關(guān)管串聯(lián)放電電阻組成，當(dāng)單體電池不一致電壓達(dá)到一定值時(shí)，通過開關(guān)管控制放電旁路來控制均衡容量，結(jié)構(gòu)控制簡單，但均衡電流較小。文獻(xiàn)[4]提出開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)均衡電路，通過開關(guān)控制，利用電容儲(chǔ)能，將能量從電壓高的單體轉(zhuǎn)移到電壓低的單體上，從而實(shí)現(xiàn)電池組內(nèi)單體電池電壓的均衡，該方案控制復(fù)雜，極有可能產(chǎn)生浪涌電流。文獻(xiàn)[5]提出變壓器能量轉(zhuǎn)換均衡電路，利用一個(gè)多副邊繞組變壓器將電池組的能量轉(zhuǎn)移到電壓最低的電池，均衡效率較高，但是副邊繞組多體積大。文獻(xiàn)[6]提出基于Buck-Boost的均衡電路，每節(jié)電池配有專門的Buck-Boost電路，單體電池能量能夠通過Buck-Boost電路釋放到電池組，該方法容易實(shí)現(xiàn)均衡，但隨著電池?cái)?shù)量增加，開關(guān)管和二極管數(shù)量增加，不適合電池?cái)?shù)量多的場(chǎng)合。

根據(jù)以往車載電池管理系統(tǒng)的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，本文設(shè)計(jì)了一種適用于大容量動(dòng)力鋰離子電池的高可靠性且可擴(kuò)展的電池組在線均衡系統(tǒng)，并搭建電池組均衡測(cè)試平臺(tái)驗(yàn)證了在線均衡系統(tǒng)及控制策略的可行性和可靠性。

1 電池組在線均衡系統(tǒng)

本文采用模塊化的設(shè)計(jì)思路，系統(tǒng)整體框架采用主從結(jié)構(gòu)，由一個(gè)電池管理主控器和多個(gè)均衡從控器組成，如圖1所示。電池管理主控制器主要功能是收集各個(gè)均衡從控器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行均衡與否判斷，并下發(fā)指令控制均衡從控器執(zhí)行均衡，同時(shí)完成與上層控制器(電動(dòng)汽車中整車控制器或電池儲(chǔ)能系統(tǒng)中PCS)之間的通信。均衡從控器主要完成電池箱內(nèi)電池信息的采集和均衡所需容量的計(jì)算與均衡執(zhí)行功能。

均衡電路作為實(shí)現(xiàn)均衡的硬件載體，直接關(guān)系到均衡執(zhí)行的效果。目前均衡電路拓?fù)湫问截S富多樣，主要分為耗散式與非耗散式兩大類[3-7]。耗散式實(shí)現(xiàn)簡單、成本低，但存在能量浪費(fèi)、散熱處理和均衡時(shí)間長等問題。本文采用非耗散式的充電均衡電路，均衡電路也采用模塊化設(shè)計(jì)，每個(gè)均衡從控器可以根據(jù)電池串聯(lián)數(shù)配置均衡電路模塊數(shù)，均衡電路拓?fù)淙鐖D2所示。

圖1 電池組在線均衡系統(tǒng)

圖2 均衡電路拓?fù)?/p>

電池組單體電池的均衡通道切換由MOSFET開關(guān)陣列的電路結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，每個(gè)單體電池的正負(fù)極分別與一個(gè)由兩個(gè)MOSFET反串聯(lián)共驅(qū)動(dòng)而構(gòu)成的開關(guān)連接，稱為單體切換開關(guān)(cell switch,CSW)。單體切換開關(guān)需要采用兩個(gè)MOSFET反串聯(lián)的原因是，假設(shè)CSW為單個(gè)MOSFET，當(dāng)電池5切入時(shí)(CSW4和CSW5導(dǎo)通)，由于MOSFET本身存在的寄生二極管，則會(huì)形成圖2中紅色實(shí)線的回路，造成batt4與batt5的串聯(lián)短路，而這種回路情況同樣會(huì)發(fā)生在其他電池上。

圖2中節(jié)點(diǎn)ODD、EVEN為經(jīng)過單體切換開關(guān)后的輸出，通過合理的開關(guān)邏輯控制，使得ODD到EVEN間的電壓為某只單體電池的電壓 (可能是正電壓，亦或是負(fù)電壓)。ODD、EVEN和3 A恒流源之間的正負(fù)極性的切換，可以通過4個(gè)MOSFET構(gòu)成全控的全橋電路實(shí)現(xiàn)，將這4個(gè)MOSFET稱為極性切換開關(guān)(polarity switch,PSW)。

2 均衡電路設(shè)計(jì)

均衡電路整體結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示，主要由以下模塊構(gòu)成：電池均衡回路、均衡驅(qū)動(dòng)控制、電壓檢測(cè)、主控CPU模塊、串口232通訊以及CAN通訊。其中粉色粗線代表3A電流可能流經(jīng)的回路，而黑色細(xì)線則為電壓模擬信號(hào)線或數(shù)字控制信號(hào)線。該方案CPU選用了飛思卡爾48管腳8位芯片MC9S08DZ48，足以滿足電路運(yùn)算需求。為配合主動(dòng)均衡控制芯片EMB1428的使用，均衡電路針對(duì)14只串聯(lián)電池，以7只電池為一組，每一組對(duì)應(yīng)圖3中的粉色均衡回路(圖3中僅畫出一組電池均衡回路)。電壓檢測(cè)AD輸入是電平移位芯片EMB1432的輸出，而EMB1432的輸入取自CSW前端。

圖3 均衡電路結(jié)構(gòu)框圖

2.1 功率MOSFET選擇

均衡電路的設(shè)計(jì)要求能夠驅(qū)動(dòng)開關(guān)陣列中所有的MOSFET，因此電路需要產(chǎn)生多路驅(qū)動(dòng)電壓，要求輸出驅(qū)動(dòng)電壓值約為10 V。圖2中各個(gè)切換開關(guān)的驅(qū)動(dòng)電壓VGS都是相互獨(dú)立的，它們之間的驅(qū)動(dòng)信號(hào)都不是共地的，因此需要各驅(qū)動(dòng)信號(hào)間必定需要有一定的電位差。

均衡電路有2組均衡模塊，因此MOS管承受的漏-源電壓VDS的最大可能值是一組均衡回路中7只電池的串聯(lián)電壓，故考慮極限值為29.4 V(考慮錳酸鋰單體電壓上限為4.2 V)。因而，所選的MOS管漏-源擊穿電壓V(BR)DS至少為40 V。均衡時(shí)，MOS管將長期處于導(dǎo)通狀態(tài)，因而其功率損耗主要取決于導(dǎo)通阻抗。因此在電流參數(shù)滿足的情況下，盡量選擇低阻值的MOS管。

為了避免造成電池之間的短路問題，電路設(shè)計(jì)需要明確MOS管導(dǎo)通和關(guān)斷的時(shí)間。根據(jù)EMB1428芯片資料，當(dāng)兩個(gè)MOS管反串聯(lián)時(shí)，它們的輸入電容若為5 nF時(shí)，MOS管開通時(shí)間為316 μs，關(guān)斷時(shí)間約為307 μs，此時(shí)EMB1428切換電池時(shí)，不會(huì)造成電池間的短路現(xiàn)象。因此要求兩個(gè)MOS管反串聯(lián)后的整體輸入電容小于5 nF，即單一MOS管的輸入電容小于2.5 nF。最終所選擇的MOS管為英飛凌公司的IPG20-N06S2L-35，集成2個(gè)MOSFET管于一個(gè)封裝內(nèi)的芯片。單個(gè)MOSFET的V(BR)DS為55 V，最大漏極電流IDM為20 A，通態(tài)電阻RDS(on)為35 mΩ，輸入電容Ciss為790 pF。

2.2 功率MOSFET開關(guān)陣列驅(qū)動(dòng)電路

EMB1428是一個(gè)MOS開關(guān)矩陣門驅(qū)動(dòng)集成芯片，用于驅(qū)動(dòng)MOSFET開關(guān)陣列。該芯片能夠提供12路MOSFET門驅(qū)動(dòng)電壓，其中包括8路單體切換開關(guān)(CSW)和4路極性切換開關(guān)(PSW)，可用于控制7串電池的均衡。EMB1428對(duì)CSW和PSW的控制有固定邏輯，主控模塊CPU只需通過SPI發(fā)送均衡某只電池的命令，無需控制驅(qū)動(dòng)電壓的輸出。芯片與CPU的通訊方式是4線制的SPI(Serial Peripheral Interface)通訊(即時(shí)鐘CLK、芯片使能CS、輸出SDO和輸入SDI)。

EMB1428為了保證驅(qū)動(dòng)最靠近電池總正的CSW和PSW，要求這些開關(guān)驅(qū)動(dòng)電壓的電位至少高于整組電池12 V。因此EMB1428需要獲得一個(gè)高于Vstack(約為24 V)的參考電位VDDCP。該點(diǎn)電位通過一個(gè)二級(jí)倍壓電路實(shí)現(xiàn)，主要包括軟啟動(dòng)發(fā)生器、時(shí)鐘水平移位、輸出驅(qū)動(dòng)器以及欠壓鎖定輸出(UVLO,under voltage lock out)。該電路產(chǎn)生一個(gè)浮起電壓，Vstack到VDDCP間壓差在無載情況下為(2×VDDCP-3×Vdiode)，VDDCP是芯片工作12 V電壓，故VDDCP比Vstack約高24 V。

2.3 電壓檢測(cè)電路

電壓檢測(cè)電路結(jié)構(gòu)圖如圖4所示，14個(gè)單體電池經(jīng)過低通RC濾波后，輸入到EMB1432模擬前端，通過SPI命令控制具體輸出的電池單體電壓EMB1432輸出經(jīng)過分壓電阻后，接A/D檢測(cè)。

圖4 電壓檢測(cè)電路原理圖

該電路將所有電池電壓集中接入EMB1432，替代了常用于切換單體電池的光控MOS管。光控MOS管導(dǎo)通的電阻受實(shí)際溫度影響較大，而且即使是性能較好的光控MOS管(如AQW212)導(dǎo)通阻值也達(dá)到了歐姆級(jí)別，導(dǎo)通內(nèi)阻的變化使得電阻分壓后輸入AD的電壓值發(fā)生變化，從而導(dǎo)致誤差產(chǎn)生。

3 均衡控制策略

目前實(shí)際應(yīng)用的在線均衡策略往往采取從簡處理方式，僅以外電壓作為控制對(duì)象，而外電壓受多個(gè)因素的影響，單純以外電壓來判斷均衡與否會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定的結(jié)果，同時(shí)均衡前后電池組容量利用率并沒有明顯的增加[8-9]。電池組一致性問題對(duì)電池組性能影響的最直觀表現(xiàn)是電池組的可用容量降低，以電池組容量利用率最大化為均衡目標(biāo)才能從本質(zhì)上解決電池組一致性問題。

從電池的SOC定義可知，電池的最大可用容量Qmax可以通過下式計(jì)算[10]：

式中：ΔQ可以在線累積計(jì)算，若能得到電池充放電中起始SOCini和結(jié)束SOCend，就能實(shí)現(xiàn)最大可用容量Qmax在線估算。為達(dá)到更好的估算精度，選擇充電開始前和充電結(jié)束后兩個(gè)時(shí)刻估算電池SOC。這樣選擇，一方面起始和結(jié)束ΔSOC變化最大；另一方面識(shí)別SOC的時(shí)刻也經(jīng)常性出現(xiàn)，且每次識(shí)別的時(shí)刻都一致。

電池管理主控器進(jìn)行均衡與否判斷并下發(fā)相應(yīng)指令的流程圖如圖5所示，在線均衡系統(tǒng)只在電池充電過程進(jìn)行均衡，如果已經(jīng)經(jīng)過一次充電過程并且對(duì)電池組進(jìn)行了均衡容量計(jì)算，則在充電開始后，按照計(jì)算結(jié)果對(duì)相應(yīng)的電池進(jìn)行均衡處理。同時(shí)，在本次充電結(jié)束時(shí)，再次對(duì)電池組進(jìn)行均衡判斷和所需均衡容量計(jì)算用于下次均衡。均衡電路執(zhí)行均衡的流程圖如圖6所示，均衡從控器接收主控器的命令執(zhí)行均衡過程，從控器各均衡模塊確定所需均衡容量最大的電池，以設(shè)定的閥值為一個(gè)單位完成電池的充電均衡，同時(shí)在均衡過程中不斷更新存儲(chǔ)所需均衡容量。

圖5 電池管理主控器均衡判斷流程圖

圖6 均衡電路執(zhí)行均衡流程圖

4 電池組均衡實(shí)驗(yàn)

電池組均衡實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖7所示，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要包括：Arbin公司電池組測(cè)試設(shè)備、車用淘汰錳酸鋰電池組、電池組在線均衡系統(tǒng)以及PC監(jiān)控系統(tǒng)。電池組測(cè)試設(shè)備主要實(shí)現(xiàn)電池組充放電循環(huán)實(shí)驗(yàn)，通過TCP/IP將充放電數(shù)據(jù)上傳到PC監(jiān)控系統(tǒng)。各電池模塊實(shí)際容量參數(shù)如表1所示。在線均衡系統(tǒng)選擇一主一從的方式，BMS均衡板有兩個(gè)均衡電路模塊，分別管理7節(jié)電池。

圖7 電池組均衡實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

表1 電池組各電池模塊容量參數(shù)

理想情況下，電池組最大可用容量為182.5 Ah。對(duì)電池組進(jìn)行充放電測(cè)試，以1/3C將電池組恒流充電至單體達(dá)到4.2 V后，恒最高單體電池電壓直至充電電流小于10 A，靜置1 h后，以1/3C恒流放電至最低單體電池電壓達(dá)到3 V。電池組充電和靜置過程各電池模塊的電壓變化曲線如圖8所示。

圖8 均衡前電池組充電和靜置過程單體電壓曲線

由于充電前，各電池模塊的SOC不同以及本身容量和內(nèi)阻較大的差異導(dǎo)致充電過程中各模塊電池電壓出現(xiàn)較大的離散型。電池組以1/3C恒流放電容量為138 Ah，比電池模塊容量最小值還要小，電池組的容量利用率才75.6%。

加入在線均衡系統(tǒng)后對(duì)電池組進(jìn)行充放電循環(huán)實(shí)驗(yàn)，均衡后電池組充電和靜置過程各電池模塊電壓變化曲線如圖9所示?？梢钥闯?，電池組均衡效果顯著，各電池模塊電壓一致性明顯改善，同時(shí)，電池組以1/3C恒流放電容量增加至172 Ah，電池組的容量利用率提高了18.6%。

圖9 均衡后電池組充電和靜置過程單體電壓曲線

5 結(jié)論

由于電池組不均衡問題的存在，串聯(lián)成組電池在可用容量、輸出功率和使用壽命等方面都比不上單體電池的累積效果，一致性使得電池成組后的使用更加復(fù)雜。電池組均衡技術(shù)作為解決電池組不一致性問題的主要手段，對(duì)電池的成組使用有著重要的意義。本文在分析現(xiàn)有均衡拓?fù)涞幕A(chǔ)上，提出了一種3 A充電電流的均衡電路拓?fù)洌⑼瓿删庀到y(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)。基于電池組容量利用最大化，提出均衡控制策略，最后搭建電池組均衡測(cè)試平臺(tái)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了在線均衡系統(tǒng)及控制策略的可行性和可靠性。

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Design of online equilibrium system for lithium-ion battery pack

Based on the analysis of the causes of lithium-ion battery pack,the meaning of battery equilibrium was discussed.According to the analysis of current equalization circuit,a charging equalization circuit with 3 A current was proposed.Then the online equilibrium system for lithium-ion battery pack was designed.In order to maximize the use of battery pack capacity,an online equilibrium control strategy was put forward.The battery pack charging equalization circuit and balancing test platform were built.Then the feasibility and reliability of the online equilibrium system and its control strategy were tested and verified.

lithium-ion battery;consistency of batteries;charging equalization circuit;online equilibrium strategy＊

TM 912

A

1002-087 X(2016)03-0539-04

2015-08-12

國家“863”計(jì)劃資助項(xiàng)目(2011AA05A108)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)資助項(xiàng)目(2013YJS087)

龔敏明(1973—)，男，江西省人，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)殡妱?dòng)汽車動(dòng)力電池管理技術(shù)。

馬澤宇，E-mail:11117374@bjtu.edu.cn