一種基于變壓器的電動汽車電池主動均衡方案設(shè)計(jì)

引言

新能源汽車體系內(nèi)，無論是混合動力（HEV）還是電動汽車（EV）離不開作為儲能介質(zhì)的動力電池，目前鋰離子電池已經(jīng)占據(jù)了汽車動力電池的主導(dǎo)地位，為了實(shí)現(xiàn)更長的續(xù)航里程，通常需要多節(jié)電池串/并聯(lián)組成電池組使用，考慮到汽車對能量、功率和環(huán)境的要求，安全、可靠地使用大型鋰離子電池組絕對不是一個(gè)簡單的任務(wù)。因此需要采用適當(dāng)?shù)碾姵毓芾硐到y(tǒng)，才能充分利用新型鋰電池的優(yōu)勢。

1.1主動均衡技術(shù)在電動汽車電池管理中的必要性

1.1.1電動汽車電池組系統(tǒng)架構(gòu)

鋰電池儲能能力強(qiáng)，但單個(gè)電池的電壓和電流都太低，不足以滿足混合動力電機(jī)的需要。為增加電流需將多個(gè)電池并聯(lián)起來，為獲得更高的電壓，則要把多個(gè)電池串聯(lián)起來。單個(gè)鋰電池的電壓一般介于3.3～3.6V之間。例如，將多達(dá)12 個(gè)電池串聯(lián)組成一個(gè)電池塊（block）輸出電壓介于30～45V 之間，而混合動力汽車驅(qū)動需要336V左右的直流電源電壓，因此通常需要8-10個(gè)電池塊（block）串聯(lián)起來使用，意味著電動汽車的電池組是數(shù)量眾多的的單體電池組成（100節(jié)以上）。

圖1.1.1：電動汽車電池組系統(tǒng)架構(gòu)。

1.1.2 平衡的必要性

電池組中的單體電池，制造和使用條件的不同，特性是存在差異的。而這些差異，如果在充、放電過程中沒有得到應(yīng)有的控制，將進(jìn)一步加大，日積月累，可能會明顯地減低整個(gè)電池組的表現(xiàn)，導(dǎo)致部分電池發(fā)生過充、過放電現(xiàn)象，造成電池容量和壽命的急劇下降，降低車輛的續(xù)航里程甚至電池組的損壞，統(tǒng)計(jì)上表現(xiàn)為電池組中的單個(gè)電池單元容量的正態(tài)分布的均值左移，且峭度逐漸減小，如圖1.1.2 所示。在經(jīng)過一段時(shí)間的使用后，將會有一小部分電池單元的有效容量接近于零，導(dǎo)致失效。因此，為了提高整個(gè)電池組的壽命，如何均衡這些老化較快的電池單元也是電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)者需要考慮的一個(gè)重要課題。

圖1.1.2：長期使用后的電池單元容量的分布。

1.1.3 電池的工作電壓范圍

電池一旦電壓超出允許范圍，鋰電池很容易被損壞（見圖1.1.3）。如果超出電壓的上限和下限（例如，nanophosphate鋰電池的電壓上限和下限分別為3.6V和2V），電池就可能會受到不可逆的損壞，至少也會增加電池的自放電率。在相當(dāng)寬的荷電狀態(tài)范圍內(nèi)，輸出電壓可以保持穩(wěn)定，因此正常情況下超出安全范圍的可能性比較小。但是，在接近安全范圍上限和下限的區(qū)域，變化曲線非常陡峭。作為預(yù)防措施，仔細(xì)監(jiān)測電壓水平非常必要。

圖1.1.3：鋰電池(nanophosphate型)的放電特性。

當(dāng)電池電壓接近臨界值時(shí)，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。為了達(dá)到這個(gè)目的，當(dāng)電池組中任一電池的電壓與其他電池不同時(shí)，就必須將能量在電池之間進(jìn)行轉(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(gè)電池單元都通過一個(gè)開關(guān)連接到一個(gè)負(fù)載電阻。這種被動電路可以對個(gè)別被選中的單元放電。該方法只適用于在充電模式下抑制最強(qiáng)電池單元的電壓攀升。被動均衡方式的優(yōu)點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡單，成本較低。但是其缺點(diǎn)也很明顯，它只能做充電均衡。同時(shí)，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(gè)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(shí)可高達(dá)幾小時(shí)。

圖1.2.1：被動均衡典型電路結(jié)構(gòu)。

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(gè)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(jì)的主動平衡電路。關(guān)鍵元件是一個(gè)變壓器，其作用是實(shí)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(gè)電池組相連

b. 次級線圈與每個(gè)電池單元相連

該方案可以完整地實(shí)現(xiàn)在充電和放電時(shí)的實(shí)時(shí)均衡，發(fā)揮出每節(jié)電池的潛力。保證充電時(shí)每節(jié)電池都能夠充滿，放電時(shí)每節(jié)電池都能放至最低的極限，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(gè)節(jié)電池的能力能得到最充分的發(fā)揮。

圖1.2.2：主動均衡典型電路結(jié)構(gòu)。

1.2.3采用基于變壓器主動均衡方案的優(yōu)勢

1）可以實(shí)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(shí)現(xiàn)底部均衡，當(dāng)某節(jié)電池電壓過低時(shí)，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)在在不進(jìn)行充放電時(shí)，靜態(tài)電流小于2μA。充電或放電時(shí)系統(tǒng)均衡電路自動開啟，控制部分的總功耗小于1 W。均衡電流的有效值達(dá)到5 A 以上，峰值達(dá)到20 A。通過放電和充電過程中的實(shí)際均衡功率測試看，該方案轉(zhuǎn)移能量的利用效率都達(dá)到了85% 以上。其余15% 的能量，除了供給電路部分（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。

圖1.2.3：幾種不同均衡方式的對比。

2 均衡方法

采用一個(gè)反激式變壓器作為核心，通過磁場與電場的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)能量在單個(gè)電池單元與整個(gè)電池組間雙向傳遞。當(dāng)某節(jié)電池電壓過高時(shí)，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(gè)電池組上去，這個(gè)過程我們稱之為頂部均衡法。當(dāng)某節(jié)電池電壓過低時(shí)，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(gè)過程我們稱之為底部均衡法。

圖2：反激式平衡電路原理及典型波形。

2.1 頂部均衡

如果某個(gè)電池單元的電壓高于其他單元，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。如果不進(jìn)行均衡，充電過程在第一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避免發(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(gè)電池組中電壓最高的單元。此時(shí)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(shí)，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(gè)電池組。

圖2.1：頂部均衡原理。

2.2 底部均衡

底部均衡法中的電流和時(shí)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 是最弱的單元，必須對其進(jìn)行補(bǔ)充充電。此時(shí)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(gè)電池單元的電壓已經(jīng)達(dá)到SoC 的下限時(shí)，底部平衡法能夠幫助延長整個(gè)電池組的工作時(shí)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，直到最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(gè)電池組的電子開關(guān)SP1 和SP2，就可以對最左邊的繞組的初級進(jìn)行充電，之后關(guān)閉SP1和SP2，就可以把能量放入總電池組中。這樣就可以實(shí)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(gè)電池的荷電狀態(tài)進(jìn)行管理，每個(gè)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(gè)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(shí)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(gè)閉合時(shí)，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(gè)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輸入管腳。S1至SN中的任一開關(guān)閉合時(shí)所產(chǎn)生的檢測脈沖的持續(xù)時(shí)間非常短暫，實(shí)際的導(dǎo)通時(shí)間可能只有4μs，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(gè)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(gè)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(jì)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總線進(jìn)行數(shù)據(jù)和指令傳輸，每個(gè)內(nèi)部CAN總線子節(jié)點(diǎn)電路和最大12節(jié)串聯(lián)電池單元相連，組成電池包。各個(gè)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(shí)接入電動汽車上的公共CAN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(gè)子節(jié)點(diǎn)可對所在電池包的12節(jié)電池進(jìn)行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(gè)原邊線圈12個(gè)副邊線圈的設(shè)計(jì)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(gè)副邊線圈串聯(lián)汽車級MOSFET（即S1，S2—Sn）連接至每個(gè)電池單元的正負(fù)極。這樣組成一個(gè)反激模式的雙向電源來進(jìn)行能量轉(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30~60V電壓狀態(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(shí)，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達(dá)到6.5 m? 的IPB100N08S2。

控制副邊線圈的MOSFET（即S1，S2—Sn）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(gè)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。

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(gè)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(gè)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(yàn)階段的控制和演示。硬件乘除單元MDU可進(jìn)行16位數(shù)據(jù)的乘除，實(shí)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(shí)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)采用12節(jié)超級電容（U0~U11）作為均衡對象。被試電容初始電壓最高2.131V伏（U6），最低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。被試電容初始電壓最高1.962V伏（U11），最低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(shí)，用于電容容量和電容電壓成正比，采用固定電阻進(jìn)行被動均衡時(shí)，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(shí)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達(dá)到1.76V。

5 系統(tǒng)的平衡性和改進(jìn)

變壓器體積與均衡速度的平衡：為了達(dá)到較快的均衡效果，即較大的均衡電流，本實(shí)驗(yàn)采用了較大體積的變壓器。在追求更緊湊的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，可采用體積較小的變壓器。但是減小體積的同時(shí)，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(shí)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，達(dá)到系統(tǒng)更加緊湊的目的。

通信系統(tǒng)的改進(jìn)：由于每10~12個(gè)串聯(lián)電池為一個(gè)子節(jié)點(diǎn)，整套電池管理系統(tǒng)的內(nèi)部CAN總線多達(dá)10~20個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)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。

電池電壓檢測的改進(jìn)：本設(shè)計(jì)采用10位ADC加軟件校正的方式采樣電壓，精度可達(dá)5mV。但是對于如磷酸鐵鋰等電壓平臺非常平坦的系統(tǒng)，電壓檢測精度需進(jìn)一步提高。如果采用12~13位的ADC和更加完善的軟件校正方案，電壓精度可達(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(shí)現(xiàn)了能量的平衡和分配功能；大大降低了均衡功耗，有助于降低系統(tǒng)散熱要求及增加車輛的續(xù)航里程，較大的均衡電流，降低了均衡時(shí)間，這對使用大容量電池的電動汽車具有實(shí)用意義。節(jié)能環(huán)保是中國乃至全世界當(dāng)今的努力目標(biāo)和技術(shù)發(fā)展方向，無論是混合動力（HEV）還是電動汽車（EV）離不開作為儲能介質(zhì)的動力電池，電池技術(shù)的發(fā)展水平成為了目前新能源車普及最大的瓶頸之一。選擇適合的電池管理方案，能大大提高電池的使用壽命及發(fā)揮最大的電池容量，充分發(fā)揮新型鋰離子電池所具備的優(yōu)勢和巨大的市場潛力。