锂离子电池组能量均衡控制.doc

锂离子电池已广泛用于便携式电子产品, 如手机、掌上电脑、导航仪、摄像机等和电动车电源上。在电动车上供电电源通常由多个单体电池串联组成电池组以满足设备所需电压和功率要求。在实际使用中, 由于单体电池之间存在着差异, 电池组的容量只能达到最弱的电池容量。在串联电池组中, 虽然通过单体电池的电流相同, 但是由于其容量不同, 电池的放电深度也会不同, 容量大的总会浅充浅放, 而容量小的总会过充过放, 这就造成容量大的衰减缓慢、寿命延长; 容量小的衰减加快, 寿命缩短, 两者之间的差异会越来越大, 造成恶性循环, 因此, 小容量电池的失效会导致电池组的提前失效。为此, 在电池组使用过程中行使对锂离子单体电池能量均衡控制是确保电池组能充分发挥效能的重要保障。人们在潜心研究电池组内单体能量快速双向均衡方案及其控制策略。1 均衡原理及方案均衡就是充电过程中使高能单体电池慢冲、低能单体电池快冲, 而在放电过程中, 情形正好反过来。按照均衡过程中均衡元件对能量的消耗情况分为耗散型均衡和非耗散型均衡。耗散型均衡是通过对电压最高的单体电池分流来实现的。通过检测每只串联电池的电压来判断其在整个电池组中所处的状态, 当它的电压超出总平均电压一定幅度后, 控制与该只电池并联的分流电路导通, 对其进行分流, 这种电路可保证各单体电池不会过充、过放, 从而延长了电池组的使用寿命, 这种类型一般在能量充足、可靠性要求高的场合适用, 但在均衡过程中必须对产生的热量进行管理。还有一种方法是在充电前对每个单体电池均衡放电至同一电平, 然后再进行串联衡流充电, 以此保证各个单体之间较为准确的均衡状态, 这种方法需要开关组来控制能量的切换, 控制复杂, 成本太高。耗散型均衡可以使用专用控制芯片, 如MAX1894/ MAX1924 适用于3 4 节锂离子电池; ISL9208 可对7 节单体进行管理;LT C6802 可对多达12 节单体进行管理, 而且芯片具有总线管理功能; S-8204 可对3/ 4 节单体进行管理; X3100 用于4 只串联单体、X3101适用于3 只串联单体等。非耗散型均衡是将高能单体电池的能量转储在中间储能体上, 然后, 再将转储的能量转储到低能单体电池上。这种方式可以最大限度地减少能量的损耗。非耗散型均衡又可分为转移型均衡和转换型均衡。非耗散型均衡中的转移型均衡可利用电容或单体电源作为储能元件, 把高能单体的能量先储存在电容或单体电源中, 再将电容或单体电源中存储的能量转移到低能单体上, 从而达到均衡的目的。非耗散型均衡中的转换型均衡有如下几种类型:1) 利用电池自身的能量作为均衡输入, 采用多副边逆变电路实现电池组均衡充电; 或采取逆变分压动态充放电均衡控制策略, 以适合于电动汽车电池的在线均衡; 或设计一种非耗能双向均衡充放电系统, 其均衡部分采用同轴线圈和超大电容器作能量中转装置, 实现电池组与单体之间的能量相互转移。这类电路会受变压器副边参数或电感抽头参数一致性的影响。2) 采用模糊算法控制的buck-boost 均衡电路智能调节单体电池之间的电压差, 实现能量均衡。3) 集散式动力电池组动态均衡管理系统采用矩阵开关型通道选择电路和DC/ DC 变换模块直接实现单体能量间的转换。可同时实现放电均衡管理, 但电路成本较高。4) 单体单向快速均衡电路设计, 其控制电路相对简单, 可实现能量从电池组的高电位单体向低电位单体的单向循环流动。为解决单体间能量双向均衡, 一种无损充放电模块被提出。耗散型均衡方法虽然简单但有大量的能量转化成热能, 故不适用于快充放系统中, 因此, 非耗散型均衡方案中双向、快速、无损耗高效的均衡充电方法才是设计追求的目标。2 双向无损均衡电路设计为了解决电池组中相邻单体间能量的双向无损耗快速传递, 双向无损均衡电路如图1 所示。电池组中共有n 个单体电池构成, 相邻的单体之间有均衡电路, 共有n- 1 个均衡电路。每个均衡电路负责与之相连的两个单体间能量的均衡。E1 和E2 两相邻单体电池间进行能量均衡的模态分析如图2 所示。图2(a) 中, 假设电池组中电压出现E1 的电压大于E2 的, 即UE1 UE2 , 这时开关管VT 12被连续触发(选定触发信号频率f = 50 kHz, 脉宽D= 0. 4 的触发脉冲) 开通时, 电能储存在L1 中, 当VT12关断时, L1 为了续流, 构成L1 , E2 , VT21 反并联二极管回路, 这样电感L1 中储存的能量就转移到E2 中, 即实现了能量从E1 到E2 的转移。开关管触发与否, 主要看与它相对应单体电池的电压与其邻近单体电池电压的关系, 高于邻近单体电池的电压就触发开关管, 反之不触发; 图2(b) 中对应U E2 U E1 , 这时开关管VT21 被连续触发开通, 电能仍然储存在L1 中, 当VT21 关断时, L1 为了续流, 构成L1 , E1 , VT 12反并联二极管回路, 这样电感L1 中储存的能量就转移到E1 中, 即实现了能量从E2 到E1 的转移。能量可以在相邻单体间从高能单体向低能单体转移, 实现双向无损耗的能量均衡。如上分析可知, 一个高能单体可以向邻近的两个低能单体同时均衡能量; n- 1 个均衡电路中可以有多个( 不多于n- 1 个) 均衡电路在同时工作, 多个低能单体被同时均衡能量。这种电路在系统的控制下可以实现电池组内单体间能量的快速均衡。为使储存在电感中的能量在一个开关周期内不累积, 选择D 0. 5, 实验中取0. 4。3 双向无损均衡电路模块的设计单体电池的电压是代表其荷电状态的最为直接的测量量, 电池组能量的均衡就是要在电池组充放电过程中通过控制电路使单体电池的电压保持在允许的偏差范围内。无损均衡模块控制电路如图3 所示。单体电压检测电路如图4 所示。单体电池的端电压经过电感和电容组成的滤波器滤除高频干扰波, 然后经过线性光耦获得单体电池的电压信号, 该信号送往单片机的ADC单元处理。单体电池电压、温度及充电电流依次被检测送往单片机内的ADC 单元完成A/D 转换, 再进行数据处理后去调理PCA 模块比较器, 实现PWM 信号输出到均衡控制电路。PWM 触发信号再经过放大隔离后去均衡单元电路模块触发对应的开关管。利用微处理器检测到的电池温度、电流参数, 通过控制电子开关SW1 , SW2 实现电池组过冲电、过放电的控制。4 微处理器控制软件的设计C8051F310 为高速、低功耗、模数混合信号系统级( SOC) 型单片机, 其集成度高, 功能强, 内部有21 通道10 位的ADC、温度传感器、比较器、I2C 及SPI 总线等资源, 而且其时钟是不分频的,这又决定了它的处理速度是Intel MCS-51 速度的几十倍。实验装置中晶体选择22. 118 4 MHz。C8051F310 单片机完全满足了能量均衡的管理,并可以方便地与上位机通讯。程序的软件流程如图5 所示。键盘处理程序用来修改单体电池间比较的电压差值, 修改确定后将新的值写入C8051F310 的FLASH 数据区; A/ D 转换取某一参量多次转换的平均值代替真值以消除干扰误差, 并在程序中设定单体电池的电压超过某一电压值( 如0.3 V) 时, 才输出PWM 信号使对应的均衡电路模块工作。在使用C8051F310 单片机时, 需要注意寄存器的使用, 尤其是端口配置交叉开关寄存器的配置。5 仿真实验及分析利用PSIM 软件搭建均衡电路进行仿真实验验证。由于在PSIM 软件中无含内阻的电源模型, 即利用电容和电阻来构造电源模型。V T21处于开关状态的仿真电路和波形分别如图6 和图7 所示。VT12处于开关状态得到的仿真波形与VT21处于开关状态的完全相似。VT21 , VT23同时处于开关状态的仿真电路如图8 所示。VT12 , VT32同时处于开关状态的仿真波形如图9 所示。从仿真实验中可以得出, E2 可同时向E1 和E3 均衡充电。均衡模块的工作是独立的, 能量均衡时是双向、快速的。6 结 语双向无损均衡充放电方案采用独立均衡电路模块形式, 多个均衡电路模块能同时实现能量从高能单体向相邻高电位或低电位低能单体间快速无损传递能量, 能量传递是双向的, 各个均衡电路模块的工作是独立的, 保证均衡过程快速进行; 能量均衡充放电控制电路采用线性光电耦合器直接检测单体电池的端电压, 信号准确, 微处理器完成数据的处理及能量管理功能, 检测电