動力鋰電池的混合均衡控制與能量管理

動力鋰電池的混合均衡控制與能量管理范輝;周晶晶;姚剛;湯天浩【摘要】Inordertosolvetheinconsistencybetweenthesinglecellsoflithiumbatteries,thebatterychargecharacteristics,batterydischargecharacteristicsandtheinconsistenciescharacteristicsofthebatterystringwereanalyzed.AhybridactivebalancecontrolmethodcombinedwithabalancingtransformerandabalancinginductanceusingBQ78PL116controllerswasproposedonthebasisofexistingbalancetopologies.Thehardwareandsoftwareofthesystemweredesignedincludingacircuitforthebatteryequalizationbasedonthebalancingtransformer,amastercontrolsystemandthecorrespondingsoftwareandcommunicationprogramstobuildabatterymanagementsystem.Theexperimentresultscertificatethatthemixedactivebalancehasfasterbalancespeedandhigherefficiency.%針對動力鋰電池的電壓不平衡問題，分析了單體鋰電池的充放電特性以及電池組串聯(lián)的不一致性,在現(xiàn)有鋰電池組均衡拓?fù)涞幕A(chǔ)上,提出了一種將變壓器均衡電路和專用芯片BQ78PL116控制的電感均衡電路相結(jié)合的混合主動均衡策略,設(shè)計了變壓器均衡電路,開發(fā)了主控系統(tǒng)軟件模塊以及主控與專用芯片通信程序等，構(gòu)成一個具有電池基本信息監(jiān)控LCD顯示、電池保護(hù)以及不一致均衡等功能的電池管理系統(tǒng).通過在靜止、放電以及充電狀態(tài)下由變壓器均衡和電感均衡構(gòu)成的混合主動均衡法與純電感均衡法的比對實驗,證明了混合主動均衡法在均衡調(diào)節(jié)速度與均衡效率方面的優(yōu)勢.期刊名稱】《上海理工大學(xué)學(xué)報》年(卷),期】2018(040)002【總頁數(shù)】10頁(P191-200)【關(guān)鍵詞】鋰電池;變壓器均衡;電感均衡;混合主動均衡控制【作者】范輝;周晶晶;姚剛;湯天浩【作者單位】上海電機學(xué)院電氣工程學(xué)院,上海201306;上海海事大學(xué)物流工程學(xué)院,上海201306;上海海事大學(xué)物流工程學(xué)院,上海201306;上海海事大學(xué)物流工程學(xué)院,上海201306【正文語種】中文【中圖分類】TM912.9目前電動汽車需要電池作為動力或儲能裝置。由于鋰電池具有能量密度高、自放電率低、污染小及循環(huán)壽命長等優(yōu)點，逐漸成為電動汽車的首選動力源［1］。在實際應(yīng)用中，為了獲得足夠大的電壓，往往將多個單體電池串聯(lián)成組使用。由于單體電池之間存在不一致性現(xiàn)象，可能造成單體電池的過充、過放以及電池組存儲容量下降的問題［2］，因此，鋰電池的均衡控制成為研究的熱點問題［3］?，F(xiàn)已有很多的電荷均衡方案和電路［4-6］，主要分為兩類：能耗型和非能耗型。在這些方案中，可采用電感、電容或變壓器作為能量轉(zhuǎn)換和緩沖的器件。電容均衡法是利用電容作為能量轉(zhuǎn)移緩沖，結(jié)合開關(guān)實現(xiàn)電池之間能量的轉(zhuǎn)移，這種方法控制簡單，但均衡效率低、能耗高［7-8］。電感均衡是采用電感作為能量轉(zhuǎn)移存儲器，也稱相鄰電池之間的均衡，具有能耗小、結(jié)構(gòu)簡單及效率高等特點［9］，但是，由于是基于相鄰電池能量的均衡，所以，當(dāng)電池數(shù)量比較多的時候，或者需要均衡的電池相距較遠(yuǎn)時，均衡時間長、效率低。針對當(dāng)前均衡電路存在的問題，本文提出了一種混合主動均衡法，結(jié)合變壓器均衡法以及電感均衡法，將串聯(lián)電池組中一定數(shù)量的單體電池打包，電池包內(nèi)采用電感均衡的方式，并在此基礎(chǔ)上，設(shè)計了基于2812DSP的主控制器、SMBus通信以及串口通信、LCD顯示電路，開發(fā)了上位機監(jiān)控軟件，構(gòu)建了一個均衡效率高、均衡時間短、電池電壓、電流、SoC以及溫度監(jiān)控保護(hù)的鋰電池電能管理系統(tǒng)[10-12]。混合主動均衡電路結(jié)構(gòu)混合主動均衡法的基本原理如圖1所示，PACK是電池包，B為電池單體，T為變壓器，L為電感，S為開關(guān)，D為續(xù)流二極管，Ct為變壓器側(cè)電容，C為電容，R為電阻。當(dāng)包與包的電壓不一致、相差余度較大時，開啟變壓器均衡，用以包與包的能量均衡，包內(nèi)部能量的不一致再由電感均衡法均衡，最終實現(xiàn)所有單體電池電壓的一致，包內(nèi)均衡與包包均衡可以同時工作，不相沖突。圖1混合主動均衡電路的基本結(jié)構(gòu)Fig.1Basicstructureofthehybridactivebalancecircuit在圖1中，以8個鋰電池串聯(lián)的電池組為例，將其中1~4號電池打包為PACK1,5~8號電池打包為PACK2。PACK1與PACK2內(nèi)部分別采用電感均衡，PACK1與PACK2采用變壓器均衡。圖1是基本情況，每個包內(nèi)可以根據(jù)實際情況擴展。采用TI公司電感均衡的專用芯片BQ78PL116，最多能控制16個電池的均衡。包與包之間采用BQ76PL102進(jìn)行變壓器均衡。因單電感均衡在電池組中需要均衡的電池相距較遠(yuǎn)的情況下，均衡時間長、效率低，為此，設(shè)置均衡最小差異為5mV。考慮包內(nèi)允許的整體差異為5nmV,n為包內(nèi)單體電池個數(shù)。當(dāng)包與包之間的差異大于包內(nèi)整體差異時，啟動變壓器均衡；否則，只啟動包內(nèi)電感均衡。1.1電感均衡硬件電路電感均衡電路是實現(xiàn)電池包內(nèi)鋰電池均衡的基礎(chǔ)，由兩部分構(gòu)成：第一部分為TI的專用電池控制芯片BQ78PL116通過PoweLAN通信結(jié)合BQ76PL102實現(xiàn)電池的信息采集、數(shù)據(jù)監(jiān)測以及電池組保護(hù)等功能；第二部分為電感均衡拓?fù)潆娐贰Q78PL116可以管理3~16個串聯(lián)鋰電池，當(dāng)管理的個數(shù)超過4個時，需要使用BQ76PL102級聯(lián)通過PowerLAN的方式實現(xiàn)管理。BQ78PL116采用獨立的檢測電池的關(guān)鍵參數(shù)，如電池電壓、電流、溫度及電池組SoC等。結(jié)合電感均衡法的Powerpump技術(shù)可以實現(xiàn)高效的電池電荷轉(zhuǎn)移，提高電池組使用壽命與續(xù)航能力。除了對電池信息的精確監(jiān)控功能外，該芯片還具有二級電池保護(hù)功能，實現(xiàn)電池的單體電池的欠壓過壓保護(hù)、電池組的欠壓過壓保護(hù)、過流保護(hù)及過溫度保護(hù)等，能夠在檢測到異常時，斷開電路，實現(xiàn)電路的保護(hù)。另外，該芯片可以將這些數(shù)據(jù)通過SMBus通信將電池的信息輸出，實現(xiàn)和外界控制系統(tǒng)的交流，其電源供電系統(tǒng)直接由被管理的鋰電池提供。電感均衡控制電路的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，在電感均衡的控制系統(tǒng)中，BQ78PL116作為電路的主控，負(fù)責(zé)電池組電流的采集、電感均衡電路MOSFET驅(qū)動信號的給定，通過與從屬芯片BQ76PL102的PowerLAN通信以及和外圍電路的SMBus通信，獲取整個電池組以及單體電池的電壓、溫度、SoC的信息。圖2電感均衡控制硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2Hardwarecircuitoftheinductancebalancecontrol電路中電感均衡電路的參數(shù)配置：電感為4.7pH,開關(guān)頻率為204.8kHz，上、下橋臂的占空比分別為33%和67%。1.2變壓器均衡電路設(shè)計變壓器均衡電路設(shè)計主要包括拓?fù)鋐lyback電路的設(shè)計、拓?fù)渌褂酶哳l變壓器的設(shè)計。高頻變壓器是flyback電路的主要部件，實現(xiàn)能量的隔離傳輸。另外，還有開關(guān)器件的選擇、開關(guān)尖峰問題的解決等。1.2.1高頻變壓器設(shè)計。為了實現(xiàn)反激變換器在原邊開關(guān)導(dǎo)通期間，原邊所存儲的能量在開關(guān)再次導(dǎo)通前全部傳輸?shù)礁边?，電路設(shè)計工作在不連續(xù)導(dǎo)通模式（DCM）下，DCM與CCM（連續(xù)導(dǎo)通模式）的傳遞函數(shù)是不相同的，所以，設(shè)計也不一樣。這里引入比例系數(shù)KRP作為DCM與CCM設(shè)計的區(qū)分，KRP為脈沖電流與峰值電流的比例系數(shù)。在DCM下，KRP=1。已知參數(shù)根據(jù)具體應(yīng)用的需求和電路特點確定，包含輸入電壓范圍Uimin~Uimax，輸出電壓Uo，輸出功率Po，工作頻率f,系統(tǒng)效率，最大占空比Dmax以及根據(jù)已知參數(shù)可以計算出原邊的平均電流IAVG,峰值電流IP,初級電流有效值IRMS以及輸入功率Pin。原邊電感LP通過原邊峰值電流Ip,輸入電壓最小值Uimin，開關(guān)管最大導(dǎo)通時間等變量來計算；負(fù)邊電感LS通過副邊電流、輸出電壓最大值以及開關(guān)管導(dǎo)通時間來計算。式中，U'0為輸出電路中所有壓降，包括副邊開關(guān)壓降、線路壓降等。匝數(shù)比n'是指變壓器原邊匝數(shù)與副邊匝數(shù)之比，同時還可以通過電參數(shù)計算出來。式中：VOR為副邊反射到原邊的反射電壓；UDS為導(dǎo)通電壓；UDS1為副邊開關(guān)管或者整流管的導(dǎo)通電壓。根據(jù)VOR來選擇原邊開關(guān)管MOSFET的擊穿電壓，即需要MOSFET的擊穿電壓要一定量的大于反射電壓,否則開關(guān)容易擊穿。使用鐵氧體作為鐵芯，需要給鐵芯加上適當(dāng)?shù)拈g隙，有兩個目的：a.傾斜磁滯回線，使磁導(dǎo)率降低；b.提高飽和安匝數(shù)，即防止磁芯飽和。間隙式中：為飽和磁通密度；為磁通有效截面積。結(jié)合本文的控制對象，鋰電池的單體電池電壓范圍為2.35~4.25V,設(shè)計16個電池。1.2.2變壓器均衡flyback電路設(shè)計。反激變換電路的設(shè)計除了上述的高頻變壓器的設(shè)計之外，還涉及到開關(guān)管的選型、濾波電容的選型等。開關(guān)管在電壓等級不高且工作頻率比較高的場合，主要選擇MOSFET。而MOSFET的選擇首先要考慮的是電壓等級的選擇，所選擇的電壓等級一定要高于電路工作的最高電壓，否則會導(dǎo)致器件的擊穿損壞。對于反激變壓器中開關(guān)管電壓等級的選擇，可以根據(jù)上文變壓器設(shè)計中的計算值確定，即需要滿足式中：VDSS是MOSFET的漏源極最大承受電壓，超過這個電壓就會器件擊穿；Uinmax為直流輸入最大電壓。為了考慮一定的余量，通常會選擇MOSFET的VDSS比另外，還需要選擇MOSFET的漏電流ID，需要滿足式中，IP為原邊電流峰值。同樣，為了留有余量，選擇相對IP較大的ID?？紤]到鋰電池的尖峰承受能力和電路損耗，反激變換電路的設(shè)計需要注意開關(guān)過程中產(chǎn)生的電流變化率dl/dt以及電壓變化率dV/dt的問題。所以，需要給電路加上緩沖電路，即常說的RCD吸收電路［9］，緩沖電路有關(guān)斷緩沖和開通緩沖之分。關(guān)斷緩沖主要是抑制關(guān)斷時電路中的dV/dt，減小了關(guān)斷電壓尖峰的同時，也減小了電路的關(guān)斷損耗；開通緩沖主要是抑制開通時電路中的過沖電流以及dI/dt，同時也減小了開通損耗。通過計算、實驗后設(shè)計的電路如圖3所示，輸入輸出濾波電容是為了控制電路的最小紋波，減小對電池影響。圖3flyback電路設(shè)計原理圖Fig.3Designoftheflybackcircuit對于副邊的開關(guān)管（Q1，Q2），如果只是采用變壓器均衡的至下均衡法，就無需使用MOSFET作雙向均衡，只需要使用一個快速整流二極管，電流參數(shù)必須要在允許范圍之內(nèi)，如Fairchild的MUR860。鋰電池管理系統(tǒng)的設(shè)計1995年，國際電工委員會（IEC）制定了關(guān)于電池管理系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)，需要包含的功能為：電池SoC的顯示；電池溫度以及高溫報警；電池老化信息；電池異常報警；檢測電池的關(guān)鍵數(shù)據(jù)如電壓、電流等［4］。根據(jù)上述的功能，本文的系統(tǒng)框圖如圖4所示。本文設(shè)計的電池管理系統(tǒng)主要功能包括：電池組整體數(shù)據(jù)以及組內(nèi)單體電池數(shù)據(jù)采集、能量管理、電池組狀態(tài)估計、安全管理、通信與通信終端軟件監(jiān)控及數(shù)據(jù)顯示等。能量管理這里主要指鋰電池組的均衡管理。圖4鋰電池管理系統(tǒng)框圖Fig.4Structureofthebatteryenergymanagementsystem控制系統(tǒng)硬件設(shè)計電池組關(guān)于電池的關(guān)鍵數(shù)據(jù)監(jiān)測以及剩余電量均通過電感均衡模塊中的專用控制芯片BQ78PL116完成，均衡管理由兩部分組成：電池包內(nèi)不一致均衡的電感均衡電路，以及電池包與包之間的不一致均衡通過變壓器均衡實現(xiàn)。專用芯片BQ78PL116與主控制芯片的通信是由SMBus實現(xiàn)，主控芯片與LCD顯示以及上位機監(jiān)控軟件均是通過串口實現(xiàn)。歷史數(shù)據(jù)的記錄通過上位機軟件與數(shù)據(jù)庫結(jié)合實現(xiàn)。根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及功能的要求，可以將系統(tǒng)的硬件分為6個部分設(shè)計，如圖5所示。鋰電池管理系統(tǒng)主控使用DSP作為主控單元，主控單元的設(shè)計包括DSP最小系統(tǒng)的設(shè)計，確保DSP能夠正常工作。DSP外圍電路的設(shè)計，保證DSP內(nèi)部與外部的正常輸入輸出。圖5系統(tǒng)硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)圖Fig.5Designofthesystemhardwarestructure變壓器均衡電路以及電感均衡電路均屬于均衡電路的設(shè)計。變壓器均衡電路為了實現(xiàn)電池包與包之間的均衡，采用flyback拓?fù)潆娐?，這里涉及到高頻變壓器的設(shè)計、PWM驅(qū)動電路的設(shè)計、電路中尖峰電路的解決。因為，電池對電路尖峰比較敏感，大的電流電壓尖峰會對電池的壽命造成比較嚴(yán)重的影響。電感均衡電路為實現(xiàn)電池包與包之間的均衡，控制采用專用芯片BQ78PL116單獨包內(nèi)控制，所以，硬件的設(shè)計涉及到BQ78PL116的系統(tǒng)外圍設(shè)計、電感均衡電路的設(shè)計等。通信與顯示電路采用SMBus實現(xiàn)了DSP與顯示電路LCD、上位機軟件以及專用芯片BQ78PL116的通信，將電池信息數(shù)據(jù)在系統(tǒng)內(nèi)傳輸。由于DSP沒有帶硬件SMBus接口，采用普通I/O口模擬SMBus的通信協(xié)議實現(xiàn)DSP與2塊BQ78PL116的通信。按照SMBus的協(xié)議接線規(guī)定，為了提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，需要將電路?根傳輸線接連1MQ的上拉電阻，同時為了提高抗干擾性，在傳輸線上串聯(lián)了2個小電阻。具體硬件結(jié)構(gòu)如圖6所示。圖6SMBus通信接口電路Fig.6CircuitofSMBuscommunication從DSP硬件接口中，分別分配2組I/O作為2個ASICBQ78PL116的SMBus通信接口。SMBusA的CLK為GPIOB8,DATA為GPIOB9;SMBusB的CLK為GPIOB14,DATA為GPIOB15。另外，考慮到電池組串聯(lián)在一起，則2組SMBus的GND不能直接接過去。因為，對于分別管理的2個串聯(lián)在一起的電池包，其地信號并不是1個。所以，需要進(jìn)行通信隔離，基本隔離電路可以采用光耦隔離。充放電電路主要是控制充放電電路的開通與關(guān)斷，充放電是通過外圍的充放電機完成。單體電池的參數(shù)信息都是通過專用芯片通信獲取，但是，在開啟均衡的時候，包電流并不能直接代表電池組的輸入電流，所以，需要單獨設(shè)計電池組電流采集電路，通過主控單元來實現(xiàn)電流參數(shù)的獲取。系統(tǒng)軟件框架結(jié)構(gòu)電池管理系統(tǒng)的整體軟件流程如圖7所示，整體結(jié)構(gòu)有3大模塊：DSP程序設(shè)計流程、ASIC控制流程和上位機軟件流程。DSP程序為主控程序，另外兩大模塊分別被歸納為輸入、輸出數(shù)據(jù)流結(jié)構(gòu)。從整體結(jié)構(gòu)看，專用芯片BQ78PL116控制的電感均衡除了均衡功能之外，還為整個系統(tǒng)提供電池包以及電池組中每個單體電池的數(shù)據(jù)信息，然后以數(shù)據(jù)的形式通過SMBus通信傳給主控制芯片DSP。另一個模塊也被歸納為數(shù)據(jù)流結(jié)構(gòu)，因為，上位機軟件的主要功能是將從下位機傳送過來的數(shù)據(jù)作曲線顯示以及數(shù)據(jù)庫的存儲備份，所以，同樣主要功能是數(shù)據(jù)的流入流出功能。DSP流程只有開始沒有結(jié)束，本文認(rèn)為，作為CPU，從整體流程上講，從上電開始程序就是一個死循環(huán)，是對各個功能不停跑的過程，除非斷電。如果斷電，則會在任何程序點隨時停止，鑒于上述原因，本文沒有給出結(jié)束標(biāo)志。DSP上電開始之后，首先需要初始化；接著是對電池組相關(guān)數(shù)據(jù)信息的獲取，即通過SMBus從電池管理系統(tǒng)ASIC獲取，將數(shù)據(jù)上傳并顯示；然后是數(shù)據(jù)的分析，即對各個電池狀態(tài)的把握。如果出現(xiàn)異常情況，則啟動保護(hù)電路，否則判斷是否啟動包包均衡，包內(nèi)均衡由ASIC單獨控制，主控需要做的是對包包均衡的控制，若需要控制則開啟flyback電路的PWM啟動控制，接著電路不停地處于循環(huán)中，一旦均衡結(jié)束將會停止包包均衡?，F(xiàn)對主流程中幾個主要模塊的流程分別進(jìn)行說明。圖7系統(tǒng)軟件整體流程Fig.7Flowpathofthesoftwaresystem均衡對比實驗與分析現(xiàn)以8個鋰電池的串聯(lián)電池組為控制對象，單體電池標(biāo)稱3.7V,4200mAh,將4個電池打為一包，包內(nèi)采用電感均衡，并由專用芯片BQ78plll6控制，通過SMBus通信將數(shù)據(jù)傳給控制器，再由控制器分析是否開啟包與包之間的均衡，即變壓器均衡，實驗的混合主動均衡法系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖8所示。對應(yīng)實驗的純電感均衡電路采用專用芯片BQ78plll6控制。在同樣條件下對混合主動均衡法與純電感均衡予以靜止、充電以及放電實驗。4個電池1包，8個電池一共2包，PACK1中為電池1~4號，PACK2中為電池5~8號，按照序號串聯(lián)在一起，1號負(fù)極與電池組負(fù)端連接，8號正極與電池組正端連接。將電池組配置為1~4號電池電壓一致,5-8號電池電壓一致，兩包包電壓不一致，PACK2包電壓低于PACK1,也就是5-8號電池電壓均小于1-4號。3.1電池組靜止均衡對比實驗與分析為了作均衡對比實驗，人為地制造電池組中電池電壓的不一致，將8個電池2個電池包的包電壓利用包各自充放電成不一致，但是，包內(nèi)4個電池的電壓還保持一致。如圖8所示，PACK1的電壓設(shè)為15.882V,PACK2的電壓設(shè)為15.409V。電感均衡即包內(nèi)均衡，允許單體電池的壓差為5mV。在同樣的包電壓初始條件下,分別做混合主動均衡法即變壓器與ASIC控制電感均衡的均衡實驗和只有ASIC控制電感均衡的均衡實驗。混合主動均衡的靜止條件下的均衡結(jié)果如圖9所示（見下頁），純電感均衡在同樣條件下的均衡結(jié)果如圖10所示（見下頁）。圖8混合主動均衡實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.8Structureofthehybridactivebalancecircuittestsystem兩種方法在同樣的條件下進(jìn)行實驗。PACK1包含Celli-4,即曲線電壓1-4,PACK2包含Cell5-8，即曲線電壓5-&將單體電池電壓的起始電壓以及均衡結(jié)束電壓列于表1（見下頁）。圖9混合主動均衡法靜止均衡實驗Fig.9Hybridactivebalancetestsinstaticstate圖10電感均衡法靜止均衡實驗Fig.1OInductancebalancetestsinstaticstate表1靜止均衡對比實驗相關(guān)數(shù)據(jù)Tab.1DataofthestaticbalancetestsmV結(jié)合圖形與數(shù)據(jù)分析，在表1的初始單體電壓下，將2包電池電壓均衡到一起，電感均衡采用100mA，均衡電流需要45625s，而結(jié)合變壓器均衡與電感均衡的混合主動均衡法只需要14280s。結(jié)合上文的計算分析，混合主動均衡與電感均衡完成時間之比Kt=Tm/Ti=0.3，則可知，Wm=1.89KtWi=0.59Wi?；旌现鲃泳馔瓿删庀牡哪芰縒m只有電感均衡消耗能量Wi的59%。可見混合主動均衡在均衡效率以及時間方面的優(yōu)勢。最后，完成均衡的總電壓也證明了這點，電感均衡最后單體電壓平均值為3.8715V，而混合主動均衡最后均衡到一致的平均電壓約為3.894V，相對電感均衡單體電壓平均值高了22.3mV。靜止均衡實驗表明，混合主動均衡法較電感均衡法均衡時間短、均衡效率高，彌補了電感均衡在電池相距較遠(yuǎn)時均衡時間長以及效率低的缺點，同時也吸收了變壓器均衡法直接高效的優(yōu)點以及電感均衡在少量電池時均衡效率高的優(yōu)點。電池組放電均衡對比實驗與分析為了進(jìn)行放電條件下2種均衡法的對比實驗，人為地制造電池組中電池電壓的不一致，然后再進(jìn)行均衡實驗。將8個電池2個電池包的包電壓利用包各自充放電成不一致，但是，包內(nèi)4個電池的電壓還保持一致，PACK1的電壓設(shè)為17.604V，PACK2的電壓設(shè)為15.794V。電感均衡即包內(nèi)均衡允許單體電池的壓差為5mV。在同樣的包電壓初始條件下，分別進(jìn)行混合主動均衡法即變壓器與ASIC控制電感均衡結(jié)合的放電均衡實驗和只有ASIC控制電感均衡的放電均衡實驗。為了能夠在放電結(jié)束前看到均衡到一起，選擇比較小的放電電流，為100mA?；旌现鲃泳獾?00mA放電條件下的均衡結(jié)果如圖11所示，ASIC控制的純電感均衡在同樣條件下的放電均衡結(jié)果如圖12所示。圖11混合主動均衡法100mA放電均衡Fig.11Hybridactivebalancetestsat100mAdischarge圖12電感均衡法100mA放電均衡Fig.12Inductancebalancetestsat100mAdischarge2種方法的實驗單體電池初始電壓接近一致，PACK1包含的單體電池為Cell1~4,即曲線電壓1~4,PACK2包含電池Cell5~8,即曲線電壓5~8。將單體電池電壓的起始電壓以及均衡結(jié)束電壓列于表2。實驗數(shù)據(jù)分析表明，在同樣的初始電壓以及放電條件下，電感均衡需要的時間為35500s，而混合主動均衡法的放電均衡的時間只有10572s，時間只有電感均衡的大致1/3?；旌现鲃泳夥ň馄骄妷簽?.919V,而電感均衡法平均電壓為3.778V。表2100mA放電均衡對比實驗相關(guān)數(shù)據(jù)Tab.2Dataoftwobalancetestsat100mAdischargemV圖13混合主動均衡法100mA充電均衡Fig.13Hybridactivebalancetestsat100mAcharge對于電感放電均衡，如果在均衡一致之間，那么，長的均衡時間可能會導(dǎo)致在未均衡到一起時就達(dá)到了單體電池的放電保護(hù)電壓，則間接地減小了整個電池組的放電容量。從均衡時間以及電池組的整體放電容量的角度來看，在放電條件下，混合主動均衡法吸收了電感均衡的優(yōu)點（如包內(nèi)始終一致），同時放點均衡時間短，因而比電感均衡更具優(yōu)勢。電池組充電均衡對比實驗與分析為了進(jìn)行充電條件下2種均衡法的對比實驗，PACK1的電壓設(shè)為14.703V,PACK2的電壓設(shè)為14.380V。電感均衡即包內(nèi)均衡允許單體電池的壓差為5mV。在同樣的包電壓初始條件下，分別進(jìn)行混合主動均衡法即變壓器與ASIC控制電感均衡的充電均衡實驗和只有ASIC控制電感均衡的充電均衡實驗。為了能夠在充滿電前看到均衡到一起，選擇比較小的充電電流，為100mA。混合主動均衡的100mA充電條件下的均衡結(jié)果如圖13所示，ASIC控制的純電感均衡在同樣條件下的充電均衡結(jié)果如圖14所示。2種方法的實驗單體電池初始電壓接近一致，PACK1包含的單體電池為Cell1~4,即曲線電壓1~4,PACK2包含電池Cell5~8,即曲線電壓5~8。將單體電池電壓的起始電壓以及均衡結(jié)束電壓列于表3（見下頁）。圖14電感均衡法100mA充電均衡Fig.14Inductancebalancetestsat100mAcharge表3100mA充電均衡對比實驗相關(guān)數(shù)據(jù)Tab.3Dataoftwobalancetestsat100mAchargemV實驗數(shù)據(jù)分析表明，在同樣的初始電壓以及充電條件下，電感均衡最終將電壓都均衡到一起需要的時間為19375s，而混合主動均衡法的將電壓都均衡到一致的時間只有5184s，時間只有電感均衡的將近1/4?；旌现鲃泳夥ň獾揭黄鸬钠骄妷簽?.685V,而電感均衡法最后均衡到一起的平均電壓為3.792V。對于電感放電均衡，如果在均衡一致之間，那么，長的均衡時間可能會導(dǎo)致在未均衡到一起時就達(dá)到了單體電池的充電保護(hù)電壓，則間接地減小了整個電池組的充電容量。從均衡時間以及電池組的整體充電容量的角度來看，在充電條件下，混合主動均衡法吸收了電感均衡的優(yōu)點，同時放電均衡時間短，因而比電感均衡更具優(yōu)勢。4結(jié)束語研究了鋰電池組管理系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，設(shè)計了電池管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，包括變壓器均衡電路的設(shè)計、電感均衡硬件電路的結(jié)構(gòu)、主控硬件電路的設(shè)計、充放電電路情況以及電池組電流采集電路設(shè)計，包括了高頻變壓器的設(shè)計、flyback電路以及專用ASICBQ78PL116的獨特功能與配合電感均衡的硬件工作結(jié)構(gòu)。設(shè)計了DSP最小系統(tǒng)、通信電路與電池管理軟件系統(tǒng)。通過系統(tǒng)實驗，分別在靜止?fàn)顟B(tài)、放電狀態(tài)以及充電狀態(tài)下進(jìn)行實驗比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，混合主動均衡結(jié)合了變壓器均衡直接高效的優(yōu)點以及電感均衡相鄰電池之間轉(zhuǎn)移高效的優(yōu)點?！鞠嚓P(guān)文獻(xiàn)】DELAPARRAHZ,MAGNUSSENF,BOSGAS.Challengesforelectricmachinesandpowerelectronicsinautomotiveapplications[Z].EcologicVehiclesRenewableEnergies,2009：1-9.LIUXT,HEY,CHENZH.State-of-chargeestimationforpowerLi-ionbatterypackusingvmin-EKF[C]//20102ndInternationalConferenceonSoftwareEngineeringandDataMining,Chengdu：IEEE,2010：27-31.ARAIJ,YAMAKIT,YAMAUCHIS,etal.Developmentofahighpowerlithiumsecondarybatteryforhybridelectricvehicles[J].JournalofPowerSources,2005