《電子技術應用》
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一種基于電動自行車電池包的均衡策略
2019年電子技術應用第4期
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
摘要: 針對電池不均衡及現有電池均衡系統(tǒng)過于復雜等問題,,提出了一種新型的均衡策略,。該均衡策略將主動和被動均衡技術相結合,,但又不同于現有的結合方式,。該均衡策略在電池充電情況下用被動均衡方式給電池單體均衡,,在電池靜置或放電情況下用主動均衡方式給電池組均衡,,不僅均衡電路更簡單,,節(jié)約成本,而且均衡效果顯著,。實驗基于電動自行車的電池包,,將電池包分為兩組,一組大電流放電模擬電池組不均衡,,另一組正常使用,。根據上述策略進行實驗,實驗結果表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。
中圖分類號: TN86
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.
A balance strategy based on battery pack of electric bicycle
Wu Hong,Song Chunwei,,Guo Yonghong
College of Mechanical and Electrical Engineering,,China Jiliang University,Hangzhou 310018,,China
Abstract: A new balancing strategy was proposed to solve the problems of unbalanced batteries and the complexity of the existing battery balancing system. This balancing strategy combines active and passive balancing techniques, but it is different from the existing methods. This equalization strategy uses passive equalization to equalize the battery unit under battery charging and active equalization to equalize the battery pack under static or discharging conditions. It not only simplifies the equalization circuit, saves cost, but also has significant equalization effect. Based on the battery pack of electric bicycle, the experiment divides the battery pack into two groups. One group simulates the unbalanced battery pack with high current discharge, and the other group is in normal use.The experimental results show that the equalization system is feasible, and the battery voltage after active and passive equalization is basically restored and can be used normally.
Key words : cell passive equalization,;battery pack active equalization;battery pack for electric bicycle

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,。

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    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,。

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    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,。

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    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ck2-t3-x1.gif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ck2-t3-x2.gif時,,停止均衡,。

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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ck2-3.2-x1.gifck2-3.2-x2.gif差大于設置的啟動均衡電壓差ck2-3.2-x3.gif時,,啟動均衡電路;當ck2-3.2-x2.gif差小于所設截止均衡電壓差ck2-3.2-x4.gif時,,停止均衡,。

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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。

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    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。

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    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。

參考文獻

[1] 李娜,,白愷,,陳豪,等.磷酸鐵鋰電池均衡技術綜述[J].華北電力技術,,2012(2):60-65.

[2] 呂航,,劉承志.電動汽車磷酸鐵鋰電池組均衡電路設計[J].電源學報,2016,,14(1):95-101.

[3] 趙光金,,唐國鵬.主被動均衡技術及其在電池梯次利用中的應用[J].電源技術,2018,,42(7):983-986.

[4] 熊永華,,楊艷,李浩,,等.基于SOC的鋰動力電池多層雙向自均衡方法[J].電子學報,,2014(4):766-773.

[5] 魯文凡,呂帥帥,,倪紅軍,,等.動力電池組均衡控制系統(tǒng)的研究進展[J].電源技術,2017,,41(1):161-164.

[6] 王燦燁,,劉庚辛,王鑫泉,,等.基于主動均衡策略的電動汽車用鋰電池管理系統(tǒng)設計研究[J].汽車技術,,2018(6):5-10.

[7] 周英華,蔣慶斌.一種實用型電池均衡技術研究[J].電子器件,,2018,,41(1):145-151.

[8] 孫金磊,,逯仁貴,,魏國,等.串聯電池組雙向全橋SOC均衡控制系統(tǒng)設計[J].電機與控制學報,,2015,,19(3):76-80.

[9] 邊疆.雙向分散式動力電池均衡管理實驗研究[J].實驗技術與管理,2018,,35(4):65-68.

[10] Lu Languang,,Han Xuebing,Li Jianqiu,et al.A review on the key issues for lithium-ion battery management in electric vehicles[J].Journal of Power Sources,,2013(226):272-288.

[11] Wang Yujie,,Zhang Chenbin,Chen Zonghai,,et al.A novel active equalization method for lithium-ion batteries in electric vehicles[J].Applied Energy,,2015(145):36-42.

[12] 曾軒,董延華.基于AD7705的高精度極微弱信號A/D轉換的電路的設計[J].吉林師范大學學報,,2014(4):124-126.

[13] 趙奕凡,,杜常清,顏伏伍.動力電池組能量均衡管理控制策略[J].電機與控制學報,,2013,,17(10):109-114.



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)

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