主動均衡技術(shù)和變壓器實現(xiàn)電動汽車電池管理系統(tǒng)的設(shè)計

1、【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】 主動均衡技術(shù)和變壓器實現(xiàn)電動汽車電池管理系統(tǒng)的設(shè)計 當(dāng)電池電壓接近臨界值時，必須立即停止放電或充電。平衡電路的功能就是調(diào)節(jié)相應(yīng)電池的電壓，使其保持在安全區(qū)域。為了到達(dá)這個目的，當(dāng)電池組中任一電池的電壓與其他電池不同時，就必須將能量在電池之間開展轉(zhuǎn)移。 1.2 采用基于變壓器主動均衡方案的優(yōu)勢 1.2.1 被動均衡法 在傳統(tǒng)被動均衡的電池管理系統(tǒng)中，每個電池單元都通過一個開關(guān)連接到一個負(fù)載電阻。這種被動電路可以對個別被選中的單元放電。該方法只適用于在充電模式下抑制 強(qiáng)電池單元的電壓攀升。被動均衡方式的優(yōu)點(diǎn)是電路構(gòu)造簡單，成本較低。但是其缺點(diǎn)也很明顯，它只能做充電均

2、衡。同時，在充電均衡過程中，多余的能量是作為熱量釋放掉的，使得整個系統(tǒng)的效率低、功耗高。有些場合為限制功耗，電路一般只允許以100mA左右的小電流放電，從而導(dǎo)致充電平衡耗時可高達(dá)幾小時。 1.2.2 基于變壓器的主動平衡法： 相關(guān)資料中有很多種主動平衡法，均需要一個用于轉(zhuǎn)移能量的存儲元件。如果用電容來做存儲元件，將其與所有電池單元相連就需要龐大的開關(guān)陣列。 更有效的方法是將基于電感設(shè)計的主動平衡電路。關(guān)鍵元件是一個變壓器，其作用是實現(xiàn)能量在單體電池之間轉(zhuǎn)移，該電路是按照反激變壓器原理構(gòu)造的。該變壓器兩側(cè)分別做了如下連接： a. 初級線圈與整個電池組相連 b. 次級線圈與每個電池單元相連 該方案

3、可以完整地實現(xiàn)在充電和放電時的實時均衡，發(fā)揮出每節(jié)電池的潛力。保證充電時每節(jié)電池都能夠充滿，放電時每節(jié)電池都能放至 的極限，充放電過程中每節(jié)電池也能夠保持相同的電壓，使電池組的每個節(jié)電池的能力能得到 充分的發(fā)揮。 1.2.3采用基于變壓器主動均衡方案的優(yōu)勢 1）可以實現(xiàn)底部均衡 相對被動平衡，不僅提供低頂部均衡，也可以實現(xiàn)底部均衡，當(dāng)某節(jié)電池電壓過低時，通過接在電池組上的繞組可以把電池組的能量轉(zhuǎn)移到該節(jié)電池上，提高的系統(tǒng)能量的利用率 2）系統(tǒng)效率高損耗低 控制系統(tǒng)在在不開展充放電時，靜態(tài)電流小于2A。充電或放電時系統(tǒng)均衡電路自動開啟，控制部分的總功耗小于1 W。均衡電流的有效值到達(dá)5 A 以上

4、，峰值到達(dá)20 A。通過放電和充電過程中的實際均衡功率測試看，該方案轉(zhuǎn)移能量的利用效率都到達(dá)了85% 以上。其余15% 的能量，除了供應(yīng)電路部分（單片機(jī)，電源芯片等）外，只有少部分是消耗在變壓器、MOSFET 和線路內(nèi)阻中的。 2 均衡方法 采用一個反激式變壓器作為 ，通過磁場與電場的轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)能量在單個電池單元與整個電池組間雙向傳遞。當(dāng)某節(jié)電池電壓過高時，可以通過并接在該電池上的繞組將多余的能量轉(zhuǎn)移到整個電池組上去，這個過程我們稱之為頂部均衡法。當(dāng)某節(jié)電池電壓過低時，通過接在電池組上的繞組可以把電池組的能量轉(zhuǎn)移到該節(jié)電池上，這個過程我們稱之為底部均衡法。 2.1 頂部均衡 如果某個電池單元的

5、電壓高于其他單元，那么就需要將其中的能量導(dǎo)出，這在充電模式下尤其必要。如果不開展均衡，充電過程在 塊電池單元充滿之后就不得不立即停止。均衡可以保持所有電池單元的電壓相等而防止發(fā)生過早停止充電的情況。圖2.1給出了頂部平衡模式下的能量流動情況。在電壓掃描之后，發(fā)現(xiàn)電池單元5 是整個電池組中電壓 的單元。此時閉合開關(guān)sec5，電流從電池流向變壓器。在開關(guān)sec5 斷開后閉合主開關(guān)，此時，變壓器就從儲能模式進(jìn)入了能量輸出模式。能量通過初級線圈送入整個電池組。 2.2 底部均衡 底部均衡法中的電流和時序條件與頂部均衡法非常類似，只是順序和電流的方向與頂部均衡法相反。掃描發(fā)現(xiàn)電池單元2 是 弱的單元，必

6、須對其開展補(bǔ)充充電。此時閉合主開關(guān)“（ prim”），電池組開始對變壓器充電。主開關(guān)斷開后，變壓器存儲的能量就可以轉(zhuǎn)移至選定的電池單元。相應(yīng)的次級“（ sec”）開關(guān)在本例中是開關(guān)sec2 閉合后，就開始能量轉(zhuǎn)移。尤其是當(dāng)某個電池單元的電壓已經(jīng)到達(dá)SoC 的下 ，底部平衡法能夠幫助延長整個電池組的工作時間。只要電池組提供的電流低于平均平衡電流就能持續(xù)放電，直到 后一塊電池單元也被耗盡。 圖2.2：頂部均衡原理。 2. 3 電池組間均衡法 如圖2.3所示，閉合其中一個電池組的電子開關(guān)SP1 和SP2，就可以對 左邊的繞組的初級開展充電，之后關(guān)閉SP1和SP2，就可以把能量放入總電池組中。這樣就可

7、以實現(xiàn)更多電池單體的串聯(lián)。 圖2.3：組間平衡。 2.4 電壓檢測 為了對每個電池的荷電狀態(tài)開展管理，每個電池的電壓都要加以測量。由于只有1號電池處于微控制器模數(shù)轉(zhuǎn)換范圍內(nèi)，因此不能直接測量電池塊中其他電池的電壓。一種可能的方案是采用差分放大器陣列，但這需要保持整個電池塊的電壓水平。 下面提出一種只需添加少量硬件就可以檢測所有電池電壓的方法。變壓器的主要作用是電荷平衡，但同時我們也可將它作為多路復(fù)用器使用。在電壓檢測模式下，變壓器的反激模式?jīng)]有被使用。當(dāng)S1至SN開關(guān)中的某一個閉合時，所接通的電池的電壓被傳輸至變壓器的所有繞組。經(jīng)過一個分立濾波器簡單的預(yù)處理，檢測信號被輸入至微控制器ADC輸入

8、管腳。S1至SN中的任一開關(guān)閉合時所產(chǎn)生的檢測脈沖的持續(xù)時間非常短暫，實際的導(dǎo)通時間可能只有4s，因此變壓器中存儲的能量并不多。當(dāng)該開關(guān)斷開后，磁場中存儲的能量將通過主晶體管饋回整個電池塊，因此電池塊的能量不受影響。對全部電池掃描一遍后，一個掃描周期結(jié)束，系統(tǒng)回到初始狀態(tài)。也就讀取了電池組中每一節(jié)電池的電壓信號。 3 設(shè)計方案 3.1 硬件部分 電池管理系統(tǒng)采用獨(dú)立的內(nèi)部CAN總線開展數(shù)據(jù)和指令傳輸，每個內(nèi)部CAN總線子節(jié)點(diǎn)電路和 12節(jié)串聯(lián)電池單元相連，組成電池包。各個電池包串聯(lián)組成電動汽車所需的電池總成。主節(jié)點(diǎn)采用汽車級16位單片機(jī)XC2267連接內(nèi)部CAN網(wǎng)絡(luò)，同時接入電動汽車上的公共C

9、AN網(wǎng)絡(luò)，收發(fā)相關(guān)的指令和數(shù)據(jù)。見圖3.1.1 圖3.1.1：電池管理系統(tǒng)框圖。 每個子節(jié)點(diǎn)可對所在電池包的12節(jié)電池開展SOC監(jiān)測并執(zhí)行電池均衡功能。見圖3.1.2 圖3.1.2：子節(jié)點(diǎn)電路示意圖。 子節(jié)點(diǎn)變壓器采用1個原邊線圈12個副邊線圈的設(shè)計方案。原邊線圈串聯(lián)汽車級MOSFET（即Sp1）連接至電池包的正負(fù)極。每個副邊線圈串聯(lián)汽車級MOSFET（即S1，S2Sn）連接至每個電池單元的正負(fù)極。這樣組成一個反激模式的雙向電源來開展能量轉(zhuǎn)移。 控制原邊線圈的MOSFET（即Sp1）采用IPD70N10S3L，耐壓100V、Rdson為11.5m？ ，可工作在12節(jié)電池串聯(lián)產(chǎn)生的3060V電壓

10、狀態(tài)下，滿足多種鋰電池如磷酸鐵鋰、錳酸鋰、三元材料電池等應(yīng)用需求。對于電壓平臺較低的磷酸鐵鋰電池或者節(jié)數(shù)較少時，也可采用耐壓稍低但Rdson較小的MOSFET來提高系統(tǒng)效率。如耐壓75V、Rdson到達(dá)6.5 m？ 的IPB100N08S2。 控制副邊線圈的MOSFET（即S1，S2Sn）采用IPG20N04S4L，耐壓40V、Rdson為7.6 m？，可滿足控制單節(jié)電池能量轉(zhuǎn)移的需求。IPG20N04S4L的另一個好處是它在很小的封裝里集成了兩只獨(dú)立的MOSFET，為電路板布局節(jié)省了較多空間。為了進(jìn)一步提高效率還可選用更小Rdson的產(chǎn)品，如IPD90N03S4L、IPB180N03S4L等

11、。 3.2 軟件部分 控制上述MOSFET工作的是汽車級8位單片機(jī)XC886CM，該單片機(jī)具有8通道10位AD，可以方便的采集各個電池單元的電壓數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)。QFP-48的封裝使它有足夠的IO完成多達(dá)13個MOSFET的控制工作。CAN、SPI、UART等豐富的通信接口使子節(jié)點(diǎn)具有CAN總線通信功能之外，能夠?qū)崿F(xiàn)和PC的通信，以方便試驗階段的控制和演示。硬件乘除單元MDU可開展16位數(shù)據(jù)的乘除，實現(xiàn)快速運(yùn)算。 子節(jié)點(diǎn)軟件負(fù)責(zé)圖3.2.1所示的功能實現(xiàn)，執(zhí)行狀態(tài)機(jī)。 圖3.2.1：子節(jié)點(diǎn)軟件功能。 4 實驗數(shù)據(jù) 實驗采用12節(jié)超級電容（U0U11）作為均衡對象。被試電容初始電壓 2.131V伏

12、（U6）， 1.767V（U7）。經(jīng)過130秒左右的主動均衡，所有12節(jié)的超級電容的電壓趨于集中，停止主動均衡操作。被試電容初始電壓 1.962V伏（U11）， 1.939V（U2）。 圖4.1：超級電容主動均衡和被動均衡測試。 采用被動均衡時，用于電容容量和電容電壓成正比，采用固定電阻開展被動均衡時，電壓曲線接近斜率固定的直線，圖中虛線為模擬被動均衡時的電壓曲線。經(jīng)18分鐘的被動均衡后，超級電容電壓趨于一致到達(dá)1.76V。 5 系統(tǒng)的平衡性和改良 變壓器體積與均衡速度的平衡：為了到達(dá)較快的均衡效果，即較大的均衡電流，本實驗采用了較大體積的變壓器。在追求更緊湊的系統(tǒng)設(shè)計中，可采用體積較小的變壓

13、器。但是減小體積的同時，降低了每次均衡所傳遞的能量，減慢了均衡速度。對于某些電池容量較小的微混、中混汽車可降低均衡速度以獲得更小的變壓器體積。 變壓器體積與系統(tǒng)效率的平衡：如果提高主動均衡時的開關(guān)頻率，同樣可以采用更小體積的變壓器。帶來的問題是MOSFET的開關(guān)功耗與開關(guān)頻率成正比，系統(tǒng)功耗因開關(guān)頻率提高而升高，導(dǎo)致系統(tǒng)功率降低。在純電動汽車系統(tǒng)里電池容量較高，可通過犧牲一些開關(guān)損耗來減小變壓器體積，到達(dá)系統(tǒng)更加緊湊的目的。 通信系統(tǒng)的改良：由于每1012個串聯(lián)電池為一個子節(jié)點(diǎn)，整套電池管理系統(tǒng)的內(nèi)部CAN總線多達(dá)1020個節(jié)點(diǎn)，每個節(jié)點(diǎn)的參考地電平不同，需要采用隔離CAN總線方案才能通信，產(chǎn)品成本較高。如果根據(jù)具體應(yīng)用，開發(fā)專用的串聯(lián)總線方案，將大大降低整體成本。 電池電壓檢測的改良：本設(shè)計采用10位ADC加軟件校正的方式采樣電壓， 可達(dá)5mV。但是對于如磷酸鐵鋰等電壓平臺非常平坦的系統(tǒng)，電壓檢測 需進(jìn)一步提高。如果采用1213位的ADC和更加完善的軟件校正方案，電壓 可達(dá)2mV甚至1mV。這樣就可以滿足各種鋰離子電池的應(yīng)用需要。 6 結(jié)束語 采用變壓器的主動均衡方案不僅能夠克服以往方案的各種缺點(diǎn)，更好的實現(xiàn)了能量的平衡和分配功能；大大降