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        基于雙向反激變換器的鋰電池組均衡系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

        2021-03-26 04:35:42朱恩來(lái)李媛媛陳少棠
        傳感器與微系統(tǒng) 2021年3期
        關(guān)鍵詞:變壓器系統(tǒng)

        朱恩來(lái), 李媛媛, 陳少棠, 滕 力

        (上海工程技術(shù)大學(xué) 電子電氣工程學(xué)院,上海 201620)

        0 引 言

        動(dòng)力電池組作為純電動(dòng)汽車的動(dòng)力來(lái)源得到廣泛應(yīng)用[1]。鋰離子電池目前被認(rèn)為是最受歡迎的可充電電池類型之一,因?yàn)樗哂心芰棵芏雀?,無(wú)記憶效應(yīng),低自放電等特性。許多鋰離子電池單元在應(yīng)用中通常以串聯(lián)的方式連接,以滿足高功率和高電壓的要求[2]。但是,由于電氣、化學(xué)特性和操作環(huán)境的不同,電池組中串聯(lián)的電池單元將會(huì)產(chǎn)生不均衡的現(xiàn)象[3]。在重復(fù)充放電過(guò)程中電池單元間的不均衡會(huì)變得越來(lái)越嚴(yán)重,這會(huì)導(dǎo)致電池組壽命和性能受到極大影響[4]。如果不對(duì)各電池單元進(jìn)行均衡處理,就會(huì)引起一個(gè)或多個(gè)電池單元發(fā)生過(guò)充或過(guò)放電的現(xiàn)象,加速電池的老化甚至造成永久性的損壞[5]。

        常見的均衡方法是能量耗散型均衡(被動(dòng)均衡),將電壓過(guò)高的電池通過(guò)分流電阻放電,這種方法設(shè)計(jì)、控制和執(zhí)行非常簡(jiǎn)單。但是,電池能量以熱能形式損失造成能源浪費(fèi),同時(shí)會(huì)使系統(tǒng)溫度升高,縮短了電池的工作時(shí)間[6]。另一種均衡方法是能量轉(zhuǎn)移型均衡(主動(dòng)均衡),主要利用電容、電感、變壓器等來(lái)實(shí)現(xiàn)電池單體間的能量轉(zhuǎn)移[7],均衡過(guò)程中消耗的能量少。國(guó)內(nèi)外研究主要集中于主動(dòng)均衡策略:基于電容的均衡方法中,電容用作能量存儲(chǔ)器以將多余能量從高壓電池轉(zhuǎn)移到較低電壓電池[8],但當(dāng)相鄰電池的電壓差較低時(shí),均衡電流很低,均衡速度慢,甚至無(wú)法均衡?;陔姼械木夥椒芰恐荒茉谙噜忞姵貑卧g快速轉(zhuǎn)移,在不相鄰的電池間均衡速度將大大降低[9]。文獻(xiàn)[10~12]基于變壓器進(jìn)行電池均衡,很好地解決了前兩種方法存在的問(wèn)題,但是基于變壓器進(jìn)行單向均衡在均衡少量電池組時(shí)具有較好的均衡表現(xiàn),當(dāng)需要對(duì)大量電池進(jìn)行均衡時(shí),需要使用大量多繞組變壓器,這會(huì)增加系統(tǒng)磁化損耗,同時(shí)增大系統(tǒng)體積。

        本文在傳統(tǒng)變壓器電路基礎(chǔ)上結(jié)合變壓器反激原理,提出了一種雙向反激變換均衡系統(tǒng)。首先,使用基于LTC6802—1的均衡電路采集電池電壓信號(hào)和進(jìn)行電池均衡,每個(gè)均衡電路能夠監(jiān)控達(dá)到12串電池,并且多個(gè)LTC6802—1均衡電路可以串聯(lián)連接和通信,以監(jiān)控多達(dá)數(shù)百個(gè)電池[13]。然后,使用兩個(gè)反激變換器作為電池組充電和放電的通道。同時(shí),均衡電路與微控制器STM32F103進(jìn)行通信,并執(zhí)行模塊化算法。上位機(jī)內(nèi)置的控制程序可以很好地控制整個(gè)系統(tǒng)。最后,搭建均衡實(shí)驗(yàn)平臺(tái),驗(yàn)證所提出的均衡電路和控制策略的可行性和有效性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,所設(shè)計(jì)的均衡系統(tǒng)誤差較小,均衡速度快,且能夠在使用相對(duì)較少的元器件情況下達(dá)到良好的均衡效果。

        1 均衡系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

        所設(shè)計(jì)的均衡系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于能量在單體電池與電池組之間相互轉(zhuǎn)換,而不是以熱能的形式大量損耗。所有電池共享一個(gè)反激變換器,降低了電路復(fù)雜性。如圖1所示,為簡(jiǎn)化分析,本文以其中一個(gè)模組的4串標(biāo)稱電壓為3.7 V的不同電池荷電狀態(tài)(state of charge,SOC)的電池組為研究對(duì)象,所設(shè)計(jì)的均衡系統(tǒng)包括上位機(jī)(PC)、主控制器、基于LTC6802—1的采集均衡電路、電池組與開關(guān)、反激變換器??刂破髋c均衡電路通信,均衡電路采集電池單元的狀態(tài)并打開/關(guān)閉電池單元開關(guān)。上位機(jī)與控制器通信,同時(shí)控制器控制反激變換器的開關(guān),系統(tǒng)整體運(yùn)行實(shí)現(xiàn)電池組均衡。

        圖1 均衡系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

        2 均衡電路設(shè)計(jì)與系統(tǒng)工作原理

        2.1 均衡電路設(shè)計(jì)

        所設(shè)計(jì)的均衡電路由雙向反激變換器和電池組以及相應(yīng)的開關(guān)組組成,如圖2所示。其雙向反激變換器是由兩個(gè)相反方向的DC-DC變換器組成,利用變壓器反激原理實(shí)現(xiàn)雙向電池均衡。模組內(nèi)電池為4串電池組,每個(gè)單體電池兩端分別連接控制開關(guān),由均衡電路發(fā)出的控制信號(hào)控制開關(guān)的通斷,實(shí)現(xiàn)不同單體電池的充電與放電。

        圖2 均衡電路原理

        2.2 系統(tǒng)工作原理

        系統(tǒng)對(duì)于電池均衡的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)將單體電池多余的能量轉(zhuǎn)移回電池組來(lái)均衡過(guò)充電池以及通過(guò)從電池組轉(zhuǎn)移能量至單體電池來(lái)均衡欠充電電池??刂破髋c均衡電路通信,均衡電路采集電池的電壓信號(hào)并打開/關(guān)閉單體電池開關(guān)。基于電池狀態(tài),控制器執(zhí)行電荷均衡算法并產(chǎn)生作用于反激變換器的調(diào)節(jié)脈寬調(diào)制(pulse width modulation,PWM)信號(hào),以通過(guò)對(duì)過(guò)充電電池放電或?qū)η烦潆婋姵爻潆妬?lái)保護(hù)和均衡電池。反激變換器在充電或放電過(guò)程中提供電流通道。電池開關(guān)允許特定單體電池通過(guò)反激變換器連接到電池組,以便根據(jù)過(guò)充電或欠充電的電池狀態(tài)分別進(jìn)行放電或充電。

        假設(shè)圖2中單體電池1為欠充電電池,則需要通過(guò)從均衡電路控制接通相應(yīng)的電池開關(guān)S1,S1′來(lái)執(zhí)行對(duì)它的均衡。然后,微控制單元(micro control unit,MCU)為反激變換器的開關(guān)K1產(chǎn)生經(jīng)調(diào)節(jié)的PWM信號(hào),以允許欠充電的電池1從電池組充電。同樣地,假設(shè)單體電池4為過(guò)充電電池,在均衡電路檢測(cè)到其過(guò)充后通過(guò)激活相應(yīng)的電池開關(guān)S4,S4′并將調(diào)節(jié)的PWM信號(hào)發(fā)送到反激變換器的開關(guān)K2來(lái)放電到電池組以進(jìn)行均衡。在均衡周期為T的時(shí)間內(nèi)從電池組傳送到欠充電電池的能量Q1(T)滿足

        (1)

        這是在此期間從電池組釋放的平均能量,同樣地,在均衡周期T內(nèi),過(guò)充電電池傳送到電池組的能量Q4(T)滿足

        (2)

        從電池組輸出的平均功率Pouta等于平均輸入功率Pina乘以轉(zhuǎn)換器效率η

        Pouta=η×Pina

        (3)

        反激變換器的開關(guān)在電壓應(yīng)力的安全范圍內(nèi)運(yùn)行,PWM開關(guān)信號(hào)的最大占空比Dm為

        (4)

        式中Vin_mi和Vin_ma為電池組的最小和最大電壓,VDS_mi和VDS_no為開關(guān)上的最小和標(biāo)稱電壓應(yīng)力。

        變壓器的匝數(shù)比n和互感Lm為[14]

        (5)

        (6)

        式中N1和N2分別為初級(jí)繞組和次級(jí)繞組匝數(shù),Vout為輸出電壓,Pin為輸入功率,f為開關(guān)頻率,η為轉(zhuǎn)換效率,視為85 %。通過(guò)設(shè)置反激變換器的互感、變壓比,電壓傳輸系數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)所需變換器的輸出功率,使變換器在均衡時(shí)以可承受的電壓/電流應(yīng)力運(yùn)行。

        控制器采用的SOC估計(jì)算法為安時(shí)積分法,鋰離子電池的實(shí)時(shí)SOC為

        (7)

        式中SOC0為鋰電池初始SOC,C為鋰電池標(biāo)稱容量。

        3 均衡控制策略

        均衡控制策略是通過(guò)判斷各個(gè)電池的狀態(tài),選擇相應(yīng)的均衡操作,進(jìn)而控制相應(yīng)開關(guān)的通斷,達(dá)到均衡目的。所提出的均衡算法流程圖如圖3所示。均衡電路讀取電池的電壓并與控制器通信??刂破鲝木怆娐肥占瘮?shù)據(jù),將電池電壓與所設(shè)置的閾值相比較粗略分類出過(guò)充與欠充電電池,然后估算SOC并將結(jié)果與所設(shè)置的閾值進(jìn)行比較,檢測(cè)不均衡電池單元,并向均衡電路發(fā)送指令以激活相應(yīng)電池的開關(guān)和反激變換器的運(yùn)行,進(jìn)行充電或放電均衡。

        圖3 均衡策略流程圖

        假設(shè)電池1為過(guò)充電電池,在進(jìn)行初始化系統(tǒng)之后,均衡電路首先會(huì)采集電池組中各個(gè)電池的電壓,并與所設(shè)置的最高閾值Vmax進(jìn)行對(duì)比;對(duì)比后會(huì)有V1>Vmax,此時(shí)系統(tǒng)會(huì)將電池1視為過(guò)充電電池,然后估算其剩余容量SOC1,并將其與電池組當(dāng)前剩余容量均值的絕對(duì)差值|SOC1-SOCa|作為均衡是否開啟的條件,如果|SOC1-SOCa|>2 %,則表明電池1確定是不均衡的,進(jìn)行放電均衡:控制與電池1對(duì)應(yīng)的開關(guān),產(chǎn)生用于對(duì)其放電的PWM信號(hào),控制反激變換器允許均衡電流放電;如果|SOC1-SOCa|<2 %,即使V1>Vmax,也判定電池是均衡的,繼續(xù)進(jìn)行電池的檢測(cè)。SOCa是所有電池SOC的均值。同理,假設(shè)電池4是欠充電電池,在與所設(shè)置的最低閾值Vmin進(jìn)行比較后,如果V42 %,則表明其確定不均衡,進(jìn)行充電均衡:控制與電池4對(duì)應(yīng)的開關(guān),產(chǎn)生用于對(duì)其充電的PWM信號(hào),控制反激變換器允許均衡電流充電;否則判定電池是均衡的,繼續(xù)對(duì)電池進(jìn)行檢測(cè)。

        4 測(cè)試驗(yàn)證

        4.1 系統(tǒng)誤差驗(yàn)證

        系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示,在實(shí)驗(yàn)裝置中,控制器通過(guò)串行外設(shè)接口(serial peripheral interface,SPI)與上位機(jī)(upper computer,PC)和均衡電路通信。控制器采用均衡控制算法編程,控制接口通過(guò)上位機(jī)在PC中創(chuàng)建。在控制接口中,提供均衡集成電路寄存器、電池電壓讀數(shù)和充電/放電狀態(tài)的指示器,以確定整體系統(tǒng)性能。并為過(guò)充電和欠充電閾值、充電和放電時(shí)間以及反擊變換器的PWM控制設(shè)置控制程序??刂瞥绦蚴褂每刂破鱏TM32F103和均衡集成電路LTC6802—1進(jìn)行測(cè)試。開關(guān)由均衡電路發(fā)送的信號(hào)控制,從而為均衡電流構(gòu)建雙向通道。需要注意的是,只有當(dāng)來(lái)自控制器的PWM信號(hào)反激變換器時(shí),才會(huì)啟動(dòng)充電或放電過(guò)程。在任意時(shí)間內(nèi),只有一個(gè)不均衡電池在進(jìn)行均衡過(guò)程。表1顯示了均衡電路獲得的電壓讀數(shù)與手動(dòng)使用萬(wàn)用表測(cè)量讀數(shù)之間的比較以及二者之間的誤差。結(jié)果表明系統(tǒng)誤差很小,具有很好的可靠性。

        圖4 均衡系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置

        表1 系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)比較V

        4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

        圖5所示為電池均衡過(guò)程中電壓的變化,V1~V4分別表示電池1~電池4的實(shí)時(shí)電壓,從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,系統(tǒng)對(duì)4串電池組進(jìn)行均衡后,整體電壓趨于穩(wěn)定的狀態(tài),電壓雖有波動(dòng)但基本達(dá)到了一致水平,均衡性能良好。

        圖5 均衡過(guò)程電池電壓曲線

        圖6所示為這4串電池組中不同SOC單體電池的均衡曲線,并分別與電池組實(shí)時(shí)SOC的均值(average)進(jìn)行了比較,由于實(shí)際系統(tǒng)會(huì)有一定的能量損耗,實(shí)時(shí)SOC均值有略微下降,但基本可以忽略不計(jì)。結(jié)果表明,與均值SOC差值越大的電池,均衡時(shí)間越長(zhǎng),最短均衡時(shí)間約為845 s,最長(zhǎng)均衡時(shí)間約為2 872 s,整體均衡速度較快。

        圖6 各單體電池SOC均衡曲線

        5 結(jié) 論

        本文介紹了電動(dòng)汽車鋰離子電池均衡系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。使用4個(gè)鋰離子電池和一個(gè)均衡電路板進(jìn)行測(cè)試和實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:所設(shè)計(jì)的均衡系統(tǒng)誤差較小,均衡速度快,能夠穩(wěn)定良好地均衡電池組內(nèi)的過(guò)充和欠充電電池,提高電池的可靠性和安全性。利用相同的算法,可以實(shí)現(xiàn)更多的均衡電路從板來(lái)采集和均衡更多電池,以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車應(yīng)用中的實(shí)際功率和電壓供應(yīng)。同時(shí),所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)只需一對(duì)反激變換器即可實(shí)現(xiàn)電池的均衡,不需要過(guò)多的變壓器結(jié)構(gòu)堆棧,降低了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。

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