劉冬梅

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基于水桶補短理論的電動汽車鋰電池主動均衡管理系統(tǒng)設計*

劉冬梅

（金華職業(yè)技術學院，浙江 金華 321017）

針對國內電動汽車鋰電池主動均衡系統(tǒng)質量不穩(wěn)定，國外該項技術可靠性較高，但成本較高的問題，文章借鑒水桶補短理論，設計了一款新型電動汽車鋰電池主動均衡管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過矩陣電路對最低單體進行充電，使能量有效轉移到最低點，起到最大幅度節(jié)能的目的。同時該管理系統(tǒng)外電路結構簡單、布線容易、成本低、質量穩(wěn)定，降低了整車成本，有利于鋰電池主動均衡管理系統(tǒng)的普及應用。

電動汽車；鋰電池；主動；均衡管理

引言

在目前電動汽車動力電池市場中，鋰離子電池逐漸占據市場主導地位，無論在混合動力車還是純電動車中，都得到了廣泛應用。隨著鋰離子電池大量投產應用，研發(fā)相應的動力電池管理系統(tǒng)就顯得尤為重要。由于鋰離子電池在電壓超過或低于允許的范圍時，如果不進行電池組均衡，會使得電池的實際容量和標稱容量有差別，逐漸積累就會導致電池組性能的明顯下降。同時由于車用電池使用環(huán)境比較惡劣，容易導致鋰離子電池加速老化和極化現(xiàn)象，從而導致電池單元的容量和充放電速度產生發(fā)散。按照均衡方式，目前市場上所見的管理系統(tǒng)中，最常見的是被動均衡和主動均衡。被動均衡是通過專用IC測量單電池電壓，并對電壓高的單電池進行電量釋放。被動均衡的優(yōu)點是電路結構簡單、成本較低，缺點是只能做充電均衡，能量回收效率為0%，能量以熱能的形式被消耗掉。主動均衡是指在充放電過程中，采用能量的轉移方式，把能量由能量高的單體轉移給能量低的電池單體，減少能量消耗，從而實現(xiàn)鋰電池組的均衡充放電，達到節(jié)能、高效的目的，因此主動均衡是鋰電池管理系統(tǒng)的最佳選擇，也是發(fā)展趨勢。目前，國內廠家主動均衡系統(tǒng)質量不穩(wěn)定，很難推廣，國外廠家該項技術可靠性較高，但成本較高，增加了整車成本。

綜上所述，研究一種新型電動汽車鋰電池主動均衡管理系統(tǒng)十分必要，對于提高電池管理系統(tǒng)性價比，延長電池使用壽命，降低電池管理系統(tǒng)成本，推動電動汽車的普及具有十分重要的意義。

1 總體方案的設計

借鑒水桶補短理論，由電池管理系統(tǒng)控制器檢測電池最低單體電壓，通過矩陣電路對最低單體進行充電，它是一種基于變壓器構架的高低壓轉換、軟件輔助分析的均衡裝置。此系統(tǒng)把電池組電壓通過矩陣電路直接充入最低單體電池兩端，實現(xiàn)將多余能量直接輸送給低電壓的單體電池，達到高效、快速補充最低單體電池電壓的目的，其原理如1圖所示。該方案采用IC檢測單體電池電壓，通過程序分析自動完成電池最低單元能量補充。

圖1 系統(tǒng)實現(xiàn)原理框圖

系統(tǒng)可實現(xiàn)充電、放電及放置三種模式的管理：

（1）工作在充電模式

在電池組充電時，當單體電池之間壓差超過200mV時，電池管理系統(tǒng)通過矩陣電路對最低單體進行充電；當單體電池之間壓差低于100mV時管理維護停止，電池組維護系統(tǒng)進入休眠狀態(tài)；電池管理系統(tǒng)供電由電池組提供。

（2）工作在放電模式

在電池組放電時，當單體電池之間壓差超過500mV時，電池管理系統(tǒng)通過矩陣電路對最低單體進行充電；當單體電池之間壓差低于200mV時維護停止，電池組管理系統(tǒng)進入休眠狀態(tài)。

（3）電池組在放置模式

電池組放置時，當單體電池之間壓差超過200mV時，電池管理系統(tǒng)通過矩陣電路對最低單體進行充電，當單體電池之間壓差低于100mV時管理維護停止，電池組管理系統(tǒng)自動進入休眠狀態(tài)。

2 主要部件設計

2.1 矩陣電路設計

系統(tǒng)要實現(xiàn)對最低單體電池進行充電，矩陣電路的設計至關重要。該電路選用雙開雙閉10A/12V小型繼電器，其中1個繼電器對應1個單體電池，其兩個觸點分別連接DC/DC輸出的正極和負極，以4串電池舉例說明，如圖2所示。

圖2 矩陣電路圖

假如電池“CELL1”電池電壓最高，電池“CELL4”電池電壓最低，當電池組在充電或靜置狀態(tài)下，當單體壓差超過200mV時，單體電池CPU檢測系統(tǒng)檢測到該數(shù)據后，K4-1低電平控制K4線圈，使K4吸合電池組，通過DC/DC、K4常開觸點對“CELL4”電池進行充電，充到“CELL4”電壓等于或高于“CELL1”時充電截止，此時K4-1高電平控制K4線圈釋放，K4常開觸點斷開，停止對“CELL4”單體電池充電。依此類推，當“CELL1”電池電壓最高，電池“CELL3”電池電壓最低，單體電池CPU檢測系統(tǒng)檢測到該數(shù)據后，K3-1低電平控制K3線圈，使K3吸合電池組，通過DC/DC、K3常開觸點對“CELL3”電池進行充電，充到“CELL3”電壓等于或高于“CELL1”時充電截止，此時K3-1高電平控制K3線圈釋放，K3常開觸點斷開，停止對“CELL3”電池單體充電。在放電狀態(tài)下，此過程與充電過程一致，只是單體電池壓差控制在500mV范圍。

2.2 單體電池CPU檢測系統(tǒng)設計

圖3 單體電池CPU檢測系統(tǒng)內部PCB線路板

開發(fā)單體電池CPU檢測系統(tǒng)，實時檢測單體電池的電壓，對不同電壓進行均衡控制和管理，是電池管理系統(tǒng)的關鍵技術。選用凌特6803采集芯片，直接采集單體電池電壓，把單體電壓信號傳遞給CPU，CPU根據采集到的單體電池壓差信號進行計算。依據是電池組在放電時壓差超過500mV對最低單體進行充電補充，電池組在充電時壓差超過200mV時對最低電池單體進行充電，圖3是單體電池CPU檢測系統(tǒng)內部PCB線路板。

3 系統(tǒng)性能指標

本主動均衡管理系統(tǒng)能實時監(jiān)控最低電池，始終對最低電池進行補充，可同時控制各個單體的過充和過放，實現(xiàn)各單體電池的高度一致性，延長電池組的使用壽命，提高系統(tǒng)的安全性，其性能指標如下：

（1）充電完成后，均衡管理系統(tǒng)維護后能保證最高單體和最低單體電池壓差低于100mV；

（2）長時間放置能保證電池組最高單體和最低單體電池壓差低于100mV；

（3）放電過程中最高單體和最低單體電池壓差超過500mV時，管理系統(tǒng)對最低單體進行充電補充；

（4）系統(tǒng)工作時功率<100W，休眠期間功耗<1W；

（5）最大均衡電流>5A；

（6）根據電池環(huán)境溫度，均衡功率自動調整。

4 結論

本文設計了一種新型基于軟件分析的電動汽車鋰電池主動均衡管理系統(tǒng)。它采用IC檢測電池單體電壓，通過軟件分析自動完成最低單體電池的能量補充，從而達到資源的最優(yōu)分配，能實現(xiàn)電量任意單體間的轉移，使均衡效率大大提高。該設計借鑒水桶補短理論，實現(xiàn)充電、放電的實時均衡，使能量有效轉移到最低點，起到最大幅度節(jié)能的目的，且該管理系統(tǒng)外電路結構簡單、布線容易、成本低、質量穩(wěn)定，降低了整車成本，有利于鋰電池均衡管理系統(tǒng)的推廣普及。

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Design of Active Balance Management System for Lithium Battery of Electric Vehicle Based on Bucket Filling Theory*

Liu Dongmei

( Jinhua polytechnic, Zhejiang Jinhua 321017 )

Aiming at the unstable quality of the domestic electric vehicle lithium battery active equalization system and the high reliability of the foreign technology, but the cost is high, this paper designs a new active lithium battery active balance management system based on the theory of bucket filling.The system charges the lowest unit through the matrix circuit, so that the energy is effectively transferred to the lowest point, and the maximum energy saving effect is achieved.At the same time, the external circuit structure of the management system is simple, the wiring is easy, the cost is low, the quality is stable, and the cost of the whole vehicle is reduced, which is beneficial to the popularization and application of the lithium battery active balance management system.

Electric vehicle;lithium battery; active; balanced management

U472.9

A

1671-7988(2019)08-39-03

U472.9

A

1671-7988(2019)08-39-03

劉冬梅，女，碩士，講師，目前從事新能源汽車電池、機械產品設計方面研究。

浙江省教育廳科研資助項目（Y201737962）。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.08.012