摘 要： 目前，鋰電池組已廣泛應用于電動汽車領(lǐng)域,，為了延長鋰電池組的使用壽命及確保其安全性,，需要設(shè)計簡單有效的均衡方法來減小單體電池間的不一致性，從而保障電動汽車的性能和安全,。針對被動均衡方式效率低,、發(fā)熱大、耗電多的不足,，研究了鋰電池組主動均衡控制方法,，該方法采用了雙向多變壓器均衡電路，由MOS管進行開關(guān)控制,，實現(xiàn)電池模塊中任意單體的雙向均衡,。并對該均衡方案在LTspiceIV上進行了仿真實驗驗證，結(jié)果表明該均衡方案均衡效果良好,，達到了設(shè)計要求,。
關(guān)鍵詞： 鋰電池組；變壓器,；雙向均衡
0 引言
由于鋰電池具有能量密度高,、自放電率低、循環(huán)壽命長等優(yōu)點,，目前已廣泛應用于電動汽車領(lǐng)域,。在鋰電池使用過程中，需要將多節(jié)單體電池通過串并聯(lián)后為電動汽車提供能量,。此時單體電池性能的差異會導致電池組出現(xiàn)不一致性現(xiàn)象,，而電池組的不一致性會造成成組電池使用性能的下降，導致電池組的可用容量和使用壽命的降低,，從而降低電動汽車的續(xù)駛里程,，增加使用成本[1-2]。為減小電池組中各單體間的差異,，保證電池組的正常使用,，本文研究了一種基于雙向反激式變壓器的主動均衡系統(tǒng),，該主動均衡系統(tǒng)通過能量雙向轉(zhuǎn)移的方式，不管在電池組充電,、放電還是靜態(tài)階段,，都可以對電池組內(nèi)各單體電池進行均衡處理，使電池組單體性能保持一致[3-4],。
1 主動均衡結(jié)構(gòu)設(shè)計
基于變壓器的鋰電池組雙向均衡系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊,、均衡主控模塊、均衡模塊與上位機4部分組成,，如圖1所示,。
（1）數(shù)據(jù)采集模塊：電壓采集使用凌力爾特推出的第三代電池組監(jiān)測專用芯片LTC6804,，該芯片能測12個串聯(lián)的單體電池,，每個單體電池的電壓范圍為0~5 V[5]。另外,，LTC6804支持多種不同的電壓采集模式,，可以犧牲速率來提高精度，也可以提高采集速率但降低采集精度,。在高速率下,，對每路單體電池的電壓采集周期可以小于240 s。系統(tǒng)通過電壓采集模塊持續(xù)采集電池電壓并將電壓信號通過SPI傳送給控制模塊,，MCU確定均衡對象,，然后由均衡主控芯片來驅(qū)動MOS管對電池進行均衡。MCU使用PIC高性能微處理器,。
?。?）均衡主控模塊：該模塊主要由均衡芯片LTC3300構(gòu)成，它是一款帶故障保護的控制器IC,，適用于多節(jié)電池的變壓器雙向主動均衡,，集成了相關(guān)柵極驅(qū)動電路、高精度電池感測,、故障檢測電路和帶內(nèi)置看門狗的串行接口[6-7],。LTC3300可實現(xiàn)6節(jié)單體的雙向同步反激式均衡，10 A最大均衡電流,，能夠達到92%電荷轉(zhuǎn)移效率,， 1 MHz可菊鏈式串行接口兼容SPI，可對6節(jié)串聯(lián)單體電池均衡,，未執(zhí)行均衡操作時的靜電流為23.5 A,。
（3）均衡模塊：均衡主控通過均衡策略來控制MOSFET的打開和關(guān)斷。當單體荷電量高于電池模塊的平均值時,，需要對該單體放電,；當單體荷電量低于電池模塊的平均值時，需要對該單體充電,。如圖2所示為均衡模塊示意圖,。
對于圖2來說，假設(shè)檢測到CELL 1電壓過高,，CELL 2（整個電池組或者某單體電池）電壓過低,，則初級繞組開關(guān)G1P控制M1場效應管接通,，電流在變壓器初級繞組中斜坡上升,，直到在I1P引腳上檢測到峰值電流（在I1p上檢測），初級開關(guān)G1P隨后控制M1斷開,，存儲在變壓器中的能量被轉(zhuǎn)移到次級繞組中,，使得電流在變壓器的次級繞組中流動；次級開關(guān)G1S同步控制M2接通直到次級電流降至零（在I1S上檢測）,，一旦次級電流降到零,，次級開關(guān)G1S控制M2斷開，初級開關(guān)G1P重新控制M1接通,，如此重復循環(huán),。這樣，CELL1多余的電荷即可從該單體逐漸轉(zhuǎn)移到需要電池的模塊中,，達到單個電池放電的目的,。對CELL2（整個電池組或者單體電池）充電過程與放電一樣。
2 電路仿真
仿真工具采用凌力爾特公司提供的模擬軟件LTspiceIV,，仿真參數(shù)為：電池組由６節(jié)電池串聯(lián)而成,，MOSFET開關(guān)頻率為5 kHz；檢測電阻Rpri=Rsec=25 mΩ,，變壓器匝數(shù)比為1∶1,；變壓器初、次級勵磁電感Lm= 30 H,；初級最大占空比Dp=0.35,；次級最大占空比Ds=0.25。如圖3所示,，上面為初級繞組電流達到2 A時（峰值電流）,，初級MOS關(guān)斷，在初級MOS關(guān)斷瞬間,，次級MOS打開,，能量從初級變壓器繞組轉(zhuǎn)移到次級變壓器繞組，當次級繞組檢測到電流為零時，次級MOS關(guān)斷,。這樣實現(xiàn)初級繞組與次級繞組能量的雙向傳遞,，從而重復上述循環(huán)。通過圖3可知,，仿真波形與理論分析一致,，且由均衡電流大小可知，均衡系統(tǒng)具有速度快的特點,，所以該方案具有可行性,。
3 系統(tǒng)測試
實驗采用的電池組額定總?cè)萘繛?.8 Ah，由8節(jié)磷酸鐵鋰電池串聯(lián)組成,，單體額定電壓為3.6 V,，單體額定容量為600 mAh，在初始狀態(tài)不一致的情況下,，采用本系統(tǒng)在電池空載狀態(tài)下對其進行均衡,。均衡前電壓如圖4所示，由上位機采集所得,，其中標號為Cell 14的電壓最高為3.474 V,，標號為Cell 10的電池電壓最低為 3.287 V。經(jīng)過30 min靜態(tài)空載測試后,，繪制成如圖5所示的坐標圖,，從中可以看出，各個單體電池的電壓趨于一致,，所以該方案具有實用性,。
4 結(jié)束語
為了解決電動汽車鋰電池成組后的不一致性，本文設(shè)計了雙向反激式變壓器均衡系統(tǒng),，采用了簡單的雙繞組變壓器實現(xiàn)多個單體的雙向均衡,，均衡電流高、速度快,，減少了均衡時間,。從實驗結(jié)果看，該均衡方案能夠?qū)⒛芰繌母唠妷旱膯误w向低電壓的單體轉(zhuǎn)移,，使各個單體電壓趨于一致,，達到均衡的效果，從而延長了鋰電池組的使用壽命及確保其安全性,，保障了電動汽車的性能和安全,。
參考文獻
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