車載動力鋰電池組主動均衡系統設計

姚　京，詹昌輝，韓　廷，郭言平

（合肥國軒高科動力能源股份公司，安徽 合肥230012）

車載動力鋰電池組主動均衡系統設計

姚京，詹昌輝，韓廷，郭言平

（合肥國軒高科動力能源股份公司，安徽 合肥230012）

鋰電池單體的不一致性通常會導致電池組壽命下降，甚至影響電池安全性能，因此鋰電池組均衡系統十分重要。通過對現有均衡技術的分析，設計了一種能量雙向轉移型的車載動力鋰電池組主動均衡系統。詳細分析了該方案的設計原理，并通過實驗對所提出的均衡電路進行了分析與論證。結果表明，該方案結構簡單，均衡效率高，能有效地提高鋰電池單體的一致性，提升了鋰電池組的使用效率。

鋰電池；主動均衡；電池管理系統

0　引言

車載動力鋰離子電池成組后，電池單體性能的不一致嚴重影響了電池組的使用效果，減少了電池組的使用壽命。造成單體電池間差異的因素主要有以下三方面：(1)電池制作工藝限制，即使同一批次的電池也會出現不一致；(2)電池組中單體電池的自放電率不一致；(3)電池組使用過程中，溫度、放電效率、保護電路對電池組的影響會導致差異的放大[1-4]。因此均衡系統是車載動力鋰電池組管理系統的關鍵技術。本文設計了一種車載動力鋰電池組主動均衡系統，通過能量雙向轉移的方式，在電池組充放電末期對電池組內各單體電池進行均衡處理，使電池組單體性能保持一致，避免單體過充過放，延長了電池組的使用壽命[5-8]。

1　主動均衡系統設計方案

1.1系統硬件設計

車載動力鋰電池組主動均衡系統結構圖如圖1所示，N個單體串聯構成鋰電池組模塊，通過電池管理系統（Battery Management System，BMS）從機采集鋰電池組模塊中各單體的電壓信息，由通信將各單體電壓信息傳遞于均衡主控模塊，通過均衡策略控制均衡模塊組對電池組內各單體電池進行均衡[9-12]。

圖1　主動均衡系統整體結構圖

主動均衡系統設計主要由兩部分組成：

（1）主動均衡主控部分：均衡主控部分負責對各單體電壓信息的處理、均衡策略管理、與均衡模塊化部分通信和PWM控制信號產生及驅動。

（2）主動均衡模塊組部分：均衡模塊組由N個均衡模塊單元構成，每個均衡模塊單元與其對應的單體電池并接。均衡模塊單元由一個反激變壓器和兩個開關管構成。

1.2均衡主控芯片

均衡模塊單元控制芯片采用LTC3300，該芯片可實現多達6節串聯鋰電池的雙向同步反激式平衡、高達10 A的平衡電流、高達 92%的電荷轉移效率、可堆迭式架構可用于大于 1 000 V的系統、高噪聲裕度串行通信、48引腳帶裸露襯墊QFN封裝和LQFP封裝。

1.3均衡主電路

主動均衡模塊組由N個均衡模塊單元構成，本文設計的均衡系統模塊單元如圖2所示。均衡模塊單元包括一個反激變壓器和兩個開關管，每個均衡模塊單元反激變壓器的原邊繞組與對應該單體電池的正負極連接，副邊繞組均連接到功率總線。開關管分別串接到原邊繞組的非同名端與副邊繞組的同名端。其中開關管為MOSFET開關管。

圖2　均衡系統模塊單元

圖3為均衡模塊組電路。均衡主控模塊通過均衡策略控制各均衡單元MOSFET管的導通順序，從而實現能量轉移型雙向型能量變換。能量從電壓較高單體通過變換直接傳遞到電壓較低單體。

圖3　主動均衡模塊組電路

例如：當檢測到CELL1的單體電壓較高，CELL3電壓較低。此時開啟均衡功能，實現能量由CELL1轉移至CELL3。首先，S11導通，S12斷開，放電電流 Id從CELL1正極經 T1原邊繞組流到 CELL1負極，T1原邊繞組儲存能量；經過設定時間 t1之后，S11斷開，S12導通，儲存在 T1原邊繞組的能力耦合至 T1副邊；經過設定時間 t2后，S32導通，此時T1副邊繞組儲存的能量傳遞于T3副邊繞組；經過設定時間 t3后，S12斷開，S32斷開，S31導通，儲存在T3副邊繞組的能量耦合至T3原邊，給單體電壓較低的CELL3補電，如此實現能量從CELL1轉移到CELL3。

1.4單體電池電壓測量

精確的單體電壓測量是整個電池管理系統的核心，為均衡功能的順利實現提供了基礎，同時為電池管理系統中SOC(State Of Charge)值的精確計算提供了保證。本文利用BMS從機模塊采集各單體電壓，由通信將單體電壓信息傳遞給均衡主控模塊。電壓采集芯片為LTC6802-2，該芯片是一款完整的電池監視 IC，它內置一個12位ADC、一個精準電壓基準、一個高電壓輸入多工器和一個串行接口。每個LTC6802-2能夠在總輸入電壓高達60 V的情況下測量12個串接電池的電壓。所有12個輸入通道上的電壓測量都能在 13 ms的時間之內完成?？梢詫⒍鄠€LTC6802-2器件串聯起來，以監視長串串接電池中每節電池的電壓。

1.5均衡控制策略

電池管理系統BMS實時監測電池的電壓、電流等參數，然后根據SOC算法計算電池的剩余電量。當發現電池出現不一致時，BMS主機向均衡主控模塊發送均衡命令，開啟均衡功能。啟動均衡功能之后，均衡控制策略根據電池的SOC、單體極值、單體壓差等情況控制均衡電路，使電量從最高的單體電池轉移到其他的單體電池，相當于電量高的電池給電量低的電池充電，最終實現電池組內各單體電池的均衡。

2　實驗與測試

為驗證能量雙向轉移型主動均衡方案的性能，在電池組靜態下進行了實際電路實驗，均衡時間為30 min。電池組由12個50 Ah鋰電池單體串聯構成，初始各單體電壓如表1所示。從表可以看出，Cell7單體電壓最高，為3.166 5 V；Cell8單體最低，為 2.640 0 V。通過均衡策略控制計算出均衡所需時間，30 min后測量單體鋰電池電壓。均衡前后的單體電壓變化如圖4所示。由圖4可以看出：（1）均衡后單體最高為 Cell7(為3.043 5 V)，單體最低為Cell8(為2.788 5 V)。對比均衡前單體最高電壓下降了0.123 0 V，單體最低電壓上升了0.148 5 V；（2）均衡前電壓均方差為 2.22045E-16，均衡后均方差為1.11022E-16；（3）均衡后 12串單體更趨向于某一電壓值，電池單體的一致性有明顯提高，說明了該電路具有較好的均衡效果。

3　結論

通過分析現有均衡技術，本文設計了一種能量雙向轉移型主動均衡系統。該方案通過反激變換電路實現，采用多變壓器法均衡拓撲結構，使得電荷能量在單體間和模塊間高效傳遞。由實驗可以得出，該均衡系統能有效提高電池單體間和電池模塊間的一致性，從而延長動力電池的使用壽命，增加電動車的單次行駛里程，提高了鋰離子電池組的利用率。

表1　均衡前各單體電壓

圖4　均衡前后各單體電壓

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A design of on-board power lithium batteries active balancing system

Yao Jing，Zhan Changhui，Han Ting，Guo Yanping
(Hefei Guoxuan High-tech Power Energy CO.，Ltd.，Hefei 230012，China)

With the wide application of electric vehicle,the consistency problem of power on-board lithium battery pack has draw more and more attention of people.As the existence of consistency problem,available capacity and service life of battery pack has important practical significance of using a group of cells.So the lithium battery pack balancing system is very important.This paper puts forward a kind of lithium battery pack balancing method which based on energy transfer,and analyses the working principle of the equilibrium method.The balancing system is established and demonstrated through experiment.Results show that this method has simple structure,high efficiency,and can solve effectively the series of lithium batteries imbalance.

lithium battery；active balancing；battery management system

TM912

A

0258-7998(2015)01-0129-03

10.16157/j.cnki.0258-7998.2014081102916

2014-08-11)

姚京（1989-），男，碩士，工程師，主要研究方向：電動汽車電池管理系統。

詹昌輝（1964-），男，碩士，工程師，主要研究方向：電動汽車。

韓廷（1978-），男，本科，工程師，主要研究方向：電動汽車。