【《锂离子动力电池主动均衡系统设计与验证案例》3800字】

锂离子动力电池主动均衡系统设计与验证案例目录TOC\o"1-3"\h\u26179锂离子动力电池主动均衡系统设计与验证案例 121951.1前言 1144411.25A主动均衡板设计 2312371.2.1电源电路 2167801.2.2CAN通信电路 317481.2.3AD采样电路 3247251.2.4唤醒信号电路 479311.2.5主控芯片模块 4264901.2.6均衡电路 537991.3主动均衡系统设计 8129011.4主动均衡系统实验验证 9前言 现有的主动均衡系统主要包括基于电容、电感、变压器、DC/DC转换器的均衡系统，各类均衡系统均已有搭载新能源汽车或储能系统的先例。基于电容式的均衡结构简单，拓扑面积小，系统集成性好；但由于需在系统中使用多个大电容用于暂储能并用于能量交换，因此增大了系统使用的安全性，大电容在长期使用过程中可能存在安全性风险。基于电感式均衡系统采用感抗元件作为储能元件实现能量在不同单体电池间流动，但电感储能性差、依赖于大电流储能，因此系统发热较高，且在均衡后期由于各单体间电压差距较小，电感两端因电压差不足而导致电流下降，因此难以实现较好的均衡。基于DC/DC式拓扑设计难度大，需求元件多，通常在相邻两单体电池间使用Buck或Boost等电路进行升降压以实现均衡，需求大量电容或电感元件进行隔离，因此使用难度高。基于变压器式均衡系统结构简单，随需求电路板面积大、使用变压器负载重，但是可实现原副边隔离，以满足超高电流的均衡需求，因此基于变压器式均衡系统也是目前主动均衡系统的重要应用方向。为实现大电流主动均衡系统、满足系统高均衡速度的设计需求，综合考虑现有主动均衡系统电路优势与缺点，设计了基于变压器式拓扑的5A电流主动均衡系统。本文首先设计了基于变压器式均衡的从板电路，负责实现对各个单体的均衡电流控制；而后基于电池管理系统主控板与采集子板，构建5A电流主动均衡系统，结合SOC估计算法与均衡控制策略，完成均衡系统实验验证。5A主动均衡板设计 本文设计的5A电流主动均衡板结构主要包括电源电路设计、晶振电路设计、CAN通信电路设计、AD采样电路设计、唤醒电路设计、主控芯片电路设计及均衡电路设计。本文所开发的主动均衡板，采用英飞凌16位单片机XC-164CS作为均衡板主控制器，最高工作频率可达40M，片上存储器包括2K的DPRAM、16K的DSRAM、16K的PSRAM和128K的Flashmemory，均衡板的EEPROM为512K；系统需求的工作电压输入为9V~48V，通常输入为24V，子板设计具有反接保护功能、过压保护功能和过流保护功能，均衡子板可工作温度范围为-40至105°C。 设计的5A主动均衡子板具有较强的工作能力，每个子板具有12节单体电压检测输入，检测电压误差不超过±5mV，具有4路温度传感器信号输入接口，2路霍尔式电流传感器输入接口。每个子板具有管理12节串联单体电池的能力，平均每个单体电池正常均衡电流3A，最大均衡电流可达5A；均衡子板具备2路高速CAN2.0通讯接口，用于子板和主控板、采集子板的信息传输，以及1路RS232串口通讯接口用于完成软件刷写功能。电源电路电源电路主要由汽车级电源芯片、普通电容、电解电容、电感等来实现滤波功能。该电源芯片可生成多种电压，如3.3V、5.0V等，满足车载电源系统及驱动电路电压需求，并额外具备过压保护、过流保护、短路保护等保护功能。可通过SPI通信，反馈芯片状态给单片机。原理图如REF_Ref70713888\h图24所示。图SEQ图\*ARABIC24电源电路原理图CAN通信电路本设计中共运用到了3路CAN，分别为充电CAN、整车CAN以及内部CAN。分别用来控制充电数据发送与接收、整车数据发送与接收、内部数据发送与接收。在硬件结构上结构简单，只需两根线即可实现数据的发送与接收。具体电路原理图如REF_Ref70713902\h图26所示。图SEQ图\*ARABIC26CAN通信电路原理图AD采样电路AD采样电路主要通过电阻和上拉电源组成，其目的是采集外部的模拟信号如电压信号、温度信号等，具体原理图如REF_Ref70713910\h图27所示。图SEQ图\*ARABIC27AD采样电路原理图唤醒信号电路唤醒信号电路主要由保护二极管、分压电阻以及滤波电容等组成，其主要作用是唤醒芯片，如电源芯片、单片机芯片等，从而控制电源的输出或控制单片机芯片的工作等等。具体电路图如REF_Ref70713918\h图28所示。图SEQ图\*ARABIC28唤醒信号电路原理图主控芯片模块主控芯片是为纯电动汽车开发的高性能通用控制器，该控制器采用了英飞凌基于TriCore™CPU的最新的16位的汽车级单片机，具有运算速度更快，数据处理能力更强，片上资源更加丰富的特点。在此硬件平台的基础上，结合我们经过大量实验验证，并在很多电动汽车车型上应用优化的控制策略，极大的优化了电动汽车能量流的控制，能够更好的满足电动汽车动力性，经济性以及舒适性的要求。采用64引脚接插件，微处理器：采用英飞凌16位单片机XC-164CS，最高工作频率可达40M片上存储器：2K的DPRAM，16K的DSRAM，16K的PSRAM，128K的Flashmemory。EEPROM：512K主控芯片模块原图如REF_Ref70713929\h图29所示。图SEQ图\*ARABIC29主控芯片模块原理图均衡电路均衡电路主要由保险丝（防止电流过大）、二极管（稳压）、MOS管（控制均衡的开关）、穿心电容（滤波）、电阻（分压）等组成，具体的电路原理图如REF_Ref70713942\h图30REF_Ref70713951\h图31所示。图SEQ图\*ARABIC30均衡电路原理图图SEQ图\*ARABIC31均衡电源原理图本文设计的主动均衡电路采用双向DC-DC的拓扑结构，实现对需要均衡单体电池的充放电管理。被均衡单体电池通过变压器与与低压蓄电池产生回路并开始能量交换。单体选通电路中，被均衡电池和蓄电池负载间通过继电器传递能量，因此在单体电池侧设置了额外的整流二极管。然而二极管的使用限制了电流流动方向，因此在二极管后方增添了换向开关，以满足在充电和放电条件下的主动均衡功能。具体电路如图REF_Ref70713970\h图33、REF_Ref70713972\h图34、REF_Ref70713973\h图35所示：图SEQ图\*ARABIC32单体选通电路的拓扑图SEQ图\*ARABIC33双向DC-DC均衡变换电路的拓扑本文通过增大变压器功率从而实现5A电流的主动均衡功能。驱动电路设计的选用集成专用驱动芯片，该驱动电路兼容TTL和CMOS电平，具有四通道输出，每个通道输出电流最大可达5A，具有过流和过温保护等功能，特别适合变压器的驱动应用。为解决5A主动均衡系统发热大问题，本文为提高系统散热能力，在PCB设计时增大了散热面积，以保证系统运行时不会过热。图SEQ图\*ARABIC34继电器驱动电路设计本文设计的5A主动均衡实物照片结构如REF_Ref70713973\h图35所示。图SEQ图\*ARABIC35均衡硬件实物图SEQ图\*ARABIC36均衡硬件功能及接口主动均衡系统设计对于大电流主动均衡系统，由于均衡电路中电压采集线与均衡线共用，导致大电流均衡时电压采样受均衡电流影响而精度降低，是大电流主动均衡系统设计难点。为实现高性能主动均衡功能，且不影响均衡过程中均衡系统采样，本文设计的主动均衡系统采用主板+采集板+均衡板的结构实现，由主板实现主动均衡控制策略运行，完成均衡指标计算、被均衡单体筛选、均衡指令控制等；采集板与均衡板分开，从而实现在均衡过程时的高精度电压采样，不受均衡电流和采样线内阻分压干扰；均衡板负责接收主板提供的均衡控制指令实现均衡功能；蓄电池负责与被均衡电池间进行能量传递或转移。本文所采用的均衡控制系统均由24V电源供电，通过CAN总线实现通信功能，在一块均衡板中最多可接入12串电池，每块均衡板允许1块电池开启均衡。图SEQ图\*ARABIC37本文采用的主动均衡系统架构主动均衡系统实验验证为实现5A电流的均衡电流测试与均衡后动力电池组一致性性能测试，本文搭建了硬件在环实验平台与电池在环测试实验平台，如REF_Ref70714008\h图38所示。上位机中通过CANOE软件实时监测BMS主板、从板、均衡板发送的报文信息，并可模拟控制器向BMS主板、从板、均衡板等发送指令。采用Vector1410CAN卡作为数据交换装置，采用FLUKE高精度电流钳测试均衡电流大小、BMS接通情况等。带有主动均衡功能的电池管理系统由主控板-采集板-均衡板构成，其中，一块主板可连接多个子板，每个采集板可实现12路或24路电压采样，每块均衡板可实现12路均衡功能。图SEQ图\*ARABIC38硬件在环与电池在环测试系统本文采用课题组自制的硬件在环测试设备进行均衡电流测试，将12路电池模拟器分别串接后，与采集板及均衡板联通。而后通过上位机向主控板及均衡板发送均衡开启指令，调节逆变器占空比以调节均衡电流，连续测试此时的电池均衡电流，并实时记录此时的均衡负载输入输出情况。本文基于电池在环系统的均衡电流测试结果如REF_Ref70714481\h表7所示：表SEQ表\*ARABIC7均衡电流测试结果占空比（%）均衡电流（A）均衡电压(V)输出功率(W)输入电压(V)输入电流（A）输入功率（W）均衡效率（%）55.55.0622.80114.1786617.60.8117.7760.7976355.752.80114.00517.60.7917.4240.80377655.14.9522.914.360817.60.8117.7760.80787654.95.0522.914.650817.60.8318.1280.80818654.34.998314.99417.60.8318.1280.82711854.25.053.00115.1550517.60.8518.480.8200783.14.9183.09915.2408817.60.8318.1280.84073753.65.0113.09915.5290917.60.8618.6560.83239153.55.0593.09915.6778417.60.8718.8320.832511534.9693.215.900817.60.8718.8320.8443552.95.0273.216.086417.60.8919.1840.83853252.85.0623.20116.2034617.60.919.360.83695652.34.9813.30116.4422817.60.8919.1840.85708352.25.0283.30116.5974317.60.9119.5360.84958251.74.9543.416.843617.60.9119.5360.86218351.653.41717.60.9219.7120.862419514.9783.517.42317.60.9420.0640.86837150.95.0253.517.587517.60.9620.4160.86145750.54.9153.617.69417.60.9420.0640.88187850.35.0083.618.028817.50.9720.4750.88052749.84.9593.718.348317.50.9820.650.88853849.75.0053.69918.513517.50.9920.8250.88900349.24.9453.80118.7959517.51210.89504549.14.9973.818.988617.51.0121.1750.896746495.0433.819.163417.51.0321.5250.89028648.64.9573.89919.3273417.51.0221.350.90526248.55.0033.919.511717.51.0421.70.899157484.9644.00119.8609617.51.0521.8750.9079347.95.014.00120.0450117.51.0722.2250.90191347.44.9794.10120.4188817.51.0822.40.91155747.35.0244.10220.6084517.51.122.750.90586647.