文獻標識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.183330
中文引用格式: 吳宏,,宋春偉,,郭永洪. 一種基于電動自行車電池包的均衡策略[J].電子技術應用,2019,,45(4):64-68.
英文引用格式: Wu Hong,,Song Chunwei,Guo Yonghong. A balance strategy based on battery pack of electric bicycle[J]. Application of Electronic Technique,,2019,,45(4):64-68.
0 引言
現階段新能源電動車的驅動能量主要來自動力電池,,驅動電動車行駛需要較高能量,,故動力電池通常由大量單體電池串并聯而成。而由于制造工藝,、存放時間以及工作溫度等因素的影響,,大量單體電池在串并聯的情況下使用,會日趨不一致[1]。電池不一致性如果不加以控制,,在電池充放電過程中,,會出現個別電池過充放現象,使電池發(fā)生不可逆損壞,,降低電池可重復使用的次數[2],。并且由于電池的“木桶效應”,不一致性還會降低電池的實際可用容量,,使電動車的行駛里程減小[3],。改善電池間不一致性,可延長電池的使用壽命,,提高實際可用容量,,因此對電動車的電池組進行能量一致性管理,顯得尤為重要,。
電池組能量均衡管理的方法,,按是否損耗能量可分為耗散型均衡(即被動均衡)和非耗散型均衡(即主動均衡)[4]。被動均衡主要指通過電阻放電,,以熱量形式直接消耗掉較高電壓電池的能量,。被動均衡法雖能以低成本保證電池的一致性,但該均衡法會使電池能量損耗,,降低電池的利用率,。因此為解決被動均衡缺點引起的問題,能量轉移型的主動均衡方式被大力倡導,。目前,,研究人員提出了多種主動均衡方案[5],電池電量通過電容,、電感,、變壓器[6]、儲能電池[7],、升-降壓型DC/DC變換器[8-9]等媒介進行能量轉移,,達到電池能量均衡的目的。雖然主動均衡通過轉移能量進行均衡,,避免了能量的損耗和散熱問題,,但電路較為復雜,影響因素較多,,成本較高[10],。
因被動均衡會產生電池能量損耗,若在行車過程中使用該方法均衡,,則得不償失,,加快電池能量流失,,降低電池的利用率。若所有單體電池均用主動均衡電路,,不僅電路更為復雜,,成本較高,且當電池單體間能量差距較小時,,均衡能量較難控制:若均衡條件設置過低,,容易造成雙向反復均衡;若均衡條件設置過高,,則無法達到預期的均衡效果。
為研究實驗出更適用于實際的均衡方式,,本文基于電池串聯的電動自行車電池包,,提出了一種電池單體用被動均衡,電池組間用主動均衡方式的均衡方式,。通過實驗驗證了該均衡方式的可行性,,且均衡后的電池包還能用于電動自行車。
1 電池單體及組間主被動均衡設計
因被動均衡成本低,,主動均衡轉移能量[11],,本方案結合主、被動均衡方式的優(yōu)點,,將被動均衡用于電池充電狀態(tài)時的電池單體均衡,,主動均衡用于電池靜置和放電或充電狀態(tài)時的電池組間均衡。該均衡策略結構示意圖如圖1所示,,策略主要由被動均衡模塊和主動均衡模塊組成,,其中主動均衡模塊包括電壓采集、微控制器處理及均衡控制模塊,。
以電池的一個充放電循環(huán)均衡為例,,在電池靜置或放電過程中,實時監(jiān)測各組電池總電壓,,計算單體電池的平均電壓,。當組間平均電壓極差大于所設定的啟動均衡值時,微控制器控制產生一個控制脈寬調制(PWM)信號,,驅使場效應管通斷,。通過設置PWM波的周期或占空比來控制主動均衡轉移的能量。當均衡到電壓極差降到所設均衡終止極差值時,,關閉PWM波,。此時已能確保各電池組電壓值較為一致,若仍存在輕微不一致,,不影響使用,,可在電池充電過程中,,利用被動均衡,進一步均衡電池,。
2 被動均衡模塊
本文所提被動均衡模塊包括單體電池保護及被動均衡電路,,采用HY2113和HY2213系列芯片。由于單體電池保護及被動均衡電路重復性較強,,本文只截取兩節(jié)鋰離子電池的保護及均衡電路,,其電路如圖2所示。若需增加電池,,只需在此基礎上增加相同電路即可,。
HY2113系列IC可用于鋰離子電池的過充電、過放電保護,。充電過程中,,當單體電池電壓超過過充電檢測電壓(VCU),并且持續(xù)時間超過過充電檢測延遲時間(TOC)時,,HY2113系列IC關斷用于充電控制的OC端子的三極管,,停止充電。放電過程中,,當單體電池電壓降低到過放電檢測電壓(VDL),,并且持續(xù)時間超過過放電檢測延遲時間(TOD)時,HY2113系列IC關斷用于放電控制的OD端子的三極管,,停止放電,。
HY2213系列IC內置高精度電壓檢測電路和延遲電路,適用多節(jié)電池組的單節(jié)鋰離子電池充電平衡控制,。充電過程中,,當單節(jié)電池電壓超過所設均衡檢測電壓(小于充電檢測電壓VCU),并且持續(xù)時間超過延遲時間時,,芯片驅動OUT端子的MOSFET導通,,通過所接電阻形成放電回路,進行放電均衡,。
3 主動均衡模塊
電動車在行駛過程中使用被動均衡,,會造成電池不必要的能量損耗,其可使用能量減少,。因此,,被動均衡僅用于單體電池充電過程,對放電或靜置過程中的電壓不一致情況,,本設計對電池組組間不均衡采用主動均衡方式,。
3.1 主動均衡硬件電路
本文設計的主動均衡是依據電池電壓進行的,電池組電壓的采樣精度決定了電池的均衡效果,,因此對電池組電壓的監(jiān)測精度要求較高,。為得到較精確的電池電壓,,本文不使用主控芯片所帶的模數端口,而是利用TM7705芯片進行電池組電壓監(jiān)測采樣[12],,如圖3所示,。TM7705低成本,低功耗,,且采用Σ-Δ結構實現模數轉換,,在噪音環(huán)境下能免受干擾,因此較適合用于工作環(huán)境較為惡劣的電動車,。
主動均衡控制電路如圖4所示,,可通過微控制器控制進行雙向均衡。微控制器將采集到的電池組電壓數據進行處理,,計算出各電池組電壓平均電壓,。判斷電池組平均電壓間的電壓極差,當電壓極差大于啟動均衡壓差值時,,啟動主動均衡電路,。均衡電路Buck-Boost電路的工作原理[13]:控制PWM脈沖寬度調制信號的周期和占空比,,進而控制AO3460場效應管導通時間變化,。當PWM信號驅動AO3460導通時,電感電流上升,;當PWM信號驅動AO3460截止時,,電感電流不能突變,經流D3或D4,,形成回路,,使電壓高的電池組的電量均衡到電壓低的電池組。因電池組內電池串聯,,故均衡時,,電量同時均衡到各個電池。當均衡到電池組間平均電壓的極差小于停止均衡壓差值
時,,停止均衡,。
3.2 主動均衡軟件控制流程
本文所提均衡策略采用STM8S003F3P6芯片,使用C語言編寫,,在IAR Embedded Workbench IDE開發(fā)環(huán)境中進行,,包括電壓采集模塊、均衡控制模塊及均衡狀態(tài)顯示,。軟件控制流程如圖5所示,,先進行系統(tǒng)初始化,通過SPI通信方式控制TM7705進行電池組的電壓采集,,處理TM7705返回的各個電池組的總電壓信息,,計算各電壓組的平均值當
差大于設置的啟動均衡電壓差
時,,啟動均衡電路;當
差小于所設截止均衡電壓差
時,,停止均衡,。
4 實驗驗證及結果分析
本文所提供的實驗驗證基于電動自行車的電池包,該電池包由10節(jié)18650型號三元鋰離子動力電池串聯組成,。該型號電池額定電壓為3.65 V,,充電終止電壓為4.2 V。本實驗設計在該電池包基礎上增加被動均衡及主動均衡電路,,使其不僅提供電動自行車行駛能量,,且可用于當汽車12 V蓄電池沒電時,給蓄電池搭電,。即使搭電會造成電池電壓不均衡,,也可利用本文所設計的被動均衡和主動均衡電路,將不均衡的電池單體和電池組均衡到趨于一致,。
4.1 被動均衡電路驗證及結果分析
HY2213-BB3A芯片過充電檢測電壓可為4.200±0.025 V,,過充電均衡截止電壓可為4.190±0.035 V。選用此芯片監(jiān)測電池的電壓,,當某節(jié)電池在充電過程中,,電壓超過充電檢測電壓,且該充電狀態(tài)持續(xù)時間大于250 ms時,,芯片OUT端子會產生由低到高的電平變化,,來打開AO3400場效晶體管,使該較高電壓的電池放電回路導通,,達到均衡效果,。被動均衡電路用62 Ω電阻放電,其功率約為0.3 W,,均衡電流約為68 mA,。表1為被動均衡電路的驗證實驗及數據。
將電池從負極向正極依次從1~10升序編號,,初始電池電壓極差0.014 V,,共同充放電后,人為給第9節(jié)放電,,其電池電壓3.775 V,,其余電池電壓均在3.9 V~3.919 V之間,電壓極差為0.144 V,。經過充放電循環(huán),,電池包中各個單體電池電壓基本一致,且壓差已恢復到0.014 V,。實驗結果表明該電池被動均衡電路可實現電池單體的均衡,。
4.2 主被動均衡策略驗證及結果分析
將電池包的10節(jié)電池分為兩組:一組為編號7~10節(jié)電池,;另一組為1~6節(jié)電池。在汽車12 V蓄電池沒電時,,可將7~10節(jié)電池用作汽車的搭電寶,,并模擬了電池組的不均衡狀態(tài)。通過提供100 kHz,、33%占空比的PWM方波,,控制主動均衡電路均衡兩組電池的電壓,均衡電流約為42 mA,。被動均衡與主動均衡相結合,,可使電池單體和電池組的電壓趨于一致。PWM均衡電路輸入脈沖信號,,對比數據,,觀察電池從不平衡到平衡的過程。表2為主被動均衡策略實驗數據,。
初始電池最大壓差0.014 V,,人為給第3、7節(jié)放電,,使第3,、7節(jié)電池電壓在3.96 V左右,其余電池電壓在4.13 V左右,,電壓極差為0.177 V,。給電池充電,,除3,、7節(jié)電池外,其余電池均啟動被動均衡,,均衡電流67 mA,。從表2所記錄數據可以看出,當其余電池接近滿電壓,,但個別電池不均衡時,,僅用被動均衡進行均衡,效果并不明顯,,且均衡速度慢,。因此主動均衡介入是必要的。
實驗設置判斷啟動主動均衡的電壓極差為100 mV,,停止主動均衡電路判斷壓差設置為45 mV,。用7~10節(jié)電池給汽車搭電,模擬電池組間不均衡,,此時電池組間平均電池壓差為0.299 V,。啟動PWM波主動均衡電路,,給電池組均衡。重新設置主動均衡的啟停條件,,充電30 min后,,再次啟動PWM主動均衡電路,使電池組間平均電池壓差為15 mV,。再次利用被動均衡電路給電池包充電,,使電池包電池組間壓差降為10 mV。此時主被動均衡策略已完成一個均衡循環(huán),。為了證明該主被動均衡策略所均衡的電池電壓極差較小并非偶然,,本文另外增加了一次完全放電和充電過程,給該電池包放電達到放電截止電壓,,再給該電池包充電,。該電池包中電池放完電時,電壓極差僅為22 mV,;充滿電時,,該電池包電壓極差僅為8 mV。結果表明,,本文所設計的電池均衡策略切實可行,,且均衡效果明顯。
5 結論
本文針對動力電池不均衡問題,,提出了一種新型的均衡策略,。電池充電過程中,當某節(jié)單體電池電壓高于所設置的充電檢測電壓時,,啟動該電池的電阻放電回路,,該電池的充電電流減小,其他電池正常充電,;電池靜置或放電情況下,,實時監(jiān)測電池組總電壓,計算各電池組中單體電池電壓的平均電壓,,判斷各電池組平均電壓的極差,,當電壓極差大于所設置的均衡啟動電壓時,啟動均衡電路,。對該策略方法基于電動自行車的電池包進行實驗,,結果表明,電池輕微的不均衡可用充電均衡給所有單體電池均衡,,電池單體或電池組嚴重不均衡時,,需先用主動均衡方式進行能量轉移,再用被動均衡方式整體調整。實驗證明了該均衡策略的可行性,,且主被動均衡后的電池電壓基本恢復,,可正常使用。
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作者信息:
吳 宏,宋春偉,,郭永洪
(中國計量大學 機電工程學院,,浙江 杭州310018)