《電子技術(shù)應(yīng)用》
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電動汽車鋰電池組主動均衡的研究
2015年微型機(jī)與應(yīng)用第19期
周西峰,賈星遠(yuǎn),,郭前崗
(南京郵電大學(xué) 自動化學(xué)院,,江蘇 南京 210023)
摘要: 目前,,鋰電池組已廣泛應(yīng)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(jì)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(jìn)行開關(guān)控制,,實(shí)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(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,,結(jié)果表明該均衡方案均衡效果良好,達(dá)到了設(shè)計(jì)要求,。
關(guān)鍵詞: 鋰電池組 變壓器 雙向均衡
Abstract:
Key words :

  摘  要: 目前,,鋰電池組已廣泛應(yīng)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(jì)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(jìn)行開關(guān)控制,實(shí)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(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,,結(jié)果表明該均衡方案均衡效果良好,達(dá)到了設(shè)計(jì)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(diǎn),,目前已廣泛應(yīng)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(dǎo)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(dǎo)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(jìn)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(jì)

  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(jī)4部分組成,如圖1所示,。

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 ?。?)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(jìn)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(hù)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(shí)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(dá)到92%電荷轉(zhuǎn)移效率, 1 MHz可菊鏈?zhǔn)酱薪涌诩嫒軸PI,,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。

 ?。?)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(dāng)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(dāng)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,。

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  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(yīng)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(fù)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(dá)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

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  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(dá)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(dāng)次級繞組檢測到電流為零時,,次級MOS關(guān)斷。這樣實(shí)現(xiàn)初級繞組與次級繞組能量的雙向傳遞,,從而重復(fù)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(diǎn),所以該方案具有可行性,。

3 系統(tǒng)測試

  實(shí)驗(yàn)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(jìn)行均衡,。均衡前電壓如圖4所示,,由上位機(jī)采集所得,其中標(biāo)號為Cell 14的電壓最高為3.474 V,,標(biāo)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(biāo)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(shí)用性,。

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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(jì)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(shí)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(shí)驗(yàn)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(dá)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(xiàn)

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