采用容性電路的BMS主動(dòng)均衡方法

何志剛，鄭亞峰，孫文凱，陳上偉

(1.江蘇大學(xué)汽車(chē)與交通工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212013; 2.山東新大洋電動(dòng)車(chē)有限公司，山東臨沂 276000)

采用容性電路的BMS主動(dòng)均衡方法

何志剛1，鄭亞峰1，孫文凱2，陳上偉1

(1.江蘇大學(xué)汽車(chē)與交通工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212013; 2.山東新大洋電動(dòng)車(chē)有限公司，山東臨沂 276000)

針對(duì)目前電動(dòng)汽車(chē)用動(dòng)力電池一致性差，需對(duì)電池組中各單體電池間進(jìn)行均衡控制的問(wèn)題，在分析現(xiàn)有均衡方案后提出了基于容性電路的主動(dòng)均衡方法。以國(guó)內(nèi)某電動(dòng)汽車(chē)上使用的電池為例，在Matlab/Simulink軟件中建立主動(dòng)均衡模型，仿真效果理想。

容性電路;主動(dòng)均衡;模擬仿真

單個(gè)電池的能量無(wú)法驅(qū)動(dòng)汽車(chē)，需要通過(guò)將多個(gè)單體電池串聯(lián)組成電池組，存儲(chǔ)相當(dāng)?shù)哪芰縼?lái)驅(qū)動(dòng)車(chē)輛。然而制造工藝和使用條件的限制導(dǎo)致電池組中各個(gè)單體特性有差異。這些差異通過(guò)電壓差、容量差等形式表現(xiàn)出來(lái)，并在電池組使用過(guò)程中進(jìn)一步加大，長(zhǎng)此以往，將影響電池組的整體使用性能，甚至造成電池組的損壞。為減小電池組中各單體間的差異，保證電池組的正常使用，本文提出了一種基于容性電路的主動(dòng)均衡策略。

1 本文方法的提出

均衡方案根據(jù)能量流動(dòng)的方式主要分為被動(dòng)均衡和主動(dòng)均衡。被動(dòng)均衡方式由于能量消耗大不適合在電動(dòng)汽車(chē)上使用。文獻(xiàn)［1-3］提出了幾種具有代表性的主動(dòng)均衡方案，但均沒(méi)有成熟的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，且試驗(yàn)效果不能完全令人滿(mǎn)意。文獻(xiàn)［4］雖然同時(shí)應(yīng)用電感和電容參與能量轉(zhuǎn)移，但電容、電感使用數(shù)量過(guò)多，且能量只能在相鄰的單體間傳遞，均衡過(guò)程中能量消耗較大。本文在結(jié)合已有均衡方案優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上，提出一種單電容、電感同時(shí)參與均衡的方式。該方案控制簡(jiǎn)單且能量不必在電池單體間逐個(gè)傳遞，降低了能量損耗，實(shí)現(xiàn)了真正的穩(wěn)定均衡。

2 電路實(shí)現(xiàn)原理及策略

本文設(shè)計(jì)每節(jié)電池兩端分別通過(guò)一個(gè)開(kāi)關(guān)管連接在電容電感的兩端。每個(gè)單體電池的正負(fù)極兩端的開(kāi)關(guān)管由同一個(gè)PWM脈沖控制開(kāi)斷，單片機(jī)發(fā)送PWM波控制開(kāi)關(guān)管的通斷，原理見(jiàn)圖1。

圖1 均衡電路設(shè)計(jì)原理

圖1中:Q1、Q2由同一個(gè)PWM控制開(kāi)斷，Q3，Q4由同一個(gè)PWM控制開(kāi)斷。假定充放電過(guò)程中1號(hào)電池為最高電壓?jiǎn)误w電池，24號(hào)電池為最低電壓?jiǎn)误w電池。當(dāng)均衡功能開(kāi)啟時(shí)，Q1，Q2同時(shí)導(dǎo)通，1號(hào)電池對(duì)電容充電，電感起緩沖電流防止電流過(guò)大的作用;充電結(jié)束后，Q1，Q2同時(shí)關(guān)斷，Q47，Q48同時(shí)打開(kāi)，電容對(duì)24號(hào)電池充電，從而實(shí)現(xiàn)能量由高往低的轉(zhuǎn)移。

均衡動(dòng)作的命令由單片機(jī)發(fā)出，符合電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)［5］要求。單體電池電壓的采集誤差為滿(mǎn)量程的0.5%。本文采用的電池為3.65 V，10 Ah的錳酸鋰電池，測(cè)量誤差ΔV=3.65× 0.5%=18 mV。因此，當(dāng)壓差在20 mV以?xún)?nèi)時(shí)，為防止因采集誤差造成誤均衡，設(shè)定均衡的上下限分別為40，20 mV。當(dāng)采集模塊監(jiān)測(cè)到24節(jié)電池組中任意2節(jié)電池單體壓差達(dá)到40 mV時(shí)，開(kāi)啟相應(yīng)的電池單體均衡模塊，以4 A左右的電流進(jìn)行均衡。均衡末期，當(dāng)2節(jié)電池的電壓差小于設(shè)定值20 mV時(shí)，均衡模塊關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。均衡控制流程如圖2所示。

圖2 均衡控制流程

3 仿真驗(yàn)證

3.1 仿真模型建立

本文基于Matlab/Simulink建立仿真模型，以2 節(jié)3.65 V，10 Ah錳酸鋰電池作為仿真對(duì)象，模擬驗(yàn)證1～24號(hào)電池的均衡過(guò)程。模型中含有5個(gè)子模塊，可實(shí)現(xiàn)硬件電路中單片機(jī)的采集、判斷、控制以及分析計(jì)算等相關(guān)的功能。B1，B2為2個(gè)電池模塊，用于模擬均衡電路中的2個(gè)均衡對(duì)象。均衡仿真模型如圖3所示。

對(duì)上述模型詳細(xì)說(shuō)明如下:模塊1為判別模塊，仿真中將2節(jié)電池電壓信息輸入判別模塊;當(dāng)滿(mǎn)足均衡開(kāi)啟條件即壓差大于40 mV時(shí)，均衡模塊自動(dòng)開(kāi)啟，設(shè)定20 mV為均衡目標(biāo);當(dāng)壓差小于20mV時(shí)，均衡停止。模塊1如圖4所示。

圖3 均衡仿真模型

圖4 判別模塊

模塊2用于產(chǎn)生2組相位相反的PWM波，分別用于控制MOSFET1、3和MOSFET2、4的開(kāi)通與斷開(kāi)，當(dāng)均衡完成后自動(dòng)停止發(fā)送PWM波。模塊3用于判別均衡方向，在準(zhǔn)確自動(dòng)地識(shí)別出高單體電池和低單體電池后，讓高電壓?jiǎn)误w電池給低電壓?jiǎn)误w電池充電，模塊3如圖5所示。

如表1所示，恩施州整體旅游接待人次、旅游綜合收入、旅行社個(gè)數(shù)、A級(jí)景區(qū)個(gè)數(shù)、五星級(jí)農(nóng)家樂(lè)以及星級(jí)飯店數(shù)都是呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，而且增長(zhǎng)明顯。恩施州旅游接待人次從2012年的21 985 802人次上升到2016年的43 663 382人次，5年間增長(zhǎng)了約98.6%。旅游綜合收入增長(zhǎng)更加顯著，從2012年的1 195 524萬(wàn)元增長(zhǎng)至2016年的3 004 847萬(wàn)元，增長(zhǎng)率達(dá)到151.34%。到2016年底，恩施州高級(jí)旅游景點(diǎn)數(shù)量和旅游業(yè)綜合排名均進(jìn)入“全省四強(qiáng)”。旅游業(yè)具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

圖5 判別均衡方向模塊

模塊4用于測(cè)量流經(jīng)電容電感的電流以及電容兩端的電壓。B1，B2為使用的電池模型，電池的電動(dòng)勢(shì)用受控恒壓源來(lái)表示，通過(guò)給受控恒壓源信號(hào)來(lái)調(diào)整電動(dòng)勢(shì)的大小，電池的充、放電電量通過(guò)對(duì)電流積分的累加來(lái)模擬［6］。Fcn函數(shù)為通過(guò)電池參數(shù)計(jì)算電池的輸出電壓。電池仿真模型如圖6所示。

圖6 電池仿真模型

模型中電池輸出電壓為

式(1)中:E為開(kāi)路電壓;E0為端電壓;K為極化電壓;Q為電池容量;A為指數(shù)電壓;B為指數(shù)容量。

本文的電池模型相關(guān)參數(shù)由臺(tái)架實(shí)測(cè)的電池放電曲線(xiàn)推導(dǎo)而來(lái)。圖7所示為某錳酸鋰放電測(cè)試試驗(yàn)在不同的放電倍率下電池的放電曲線(xiàn)。

圖7 不同放電倍率放電曲線(xiàn)

由圖7中數(shù)據(jù)經(jīng)擬合得出仿真參數(shù)為:E0= 3.869 9，R=0.003，K=0.020 913，A=0.203 5，B=3.75。將參數(shù)代入式(1)可以設(shè)置仿真開(kāi)始時(shí)的初始電池電壓。

3.2 模型參數(shù)確定及損耗分析

方案中采用電容作為儲(chǔ)能元件，電感作為緩沖電流的器件，并以效率、速度作為評(píng)判均衡模型效果的兩大標(biāo)準(zhǔn)。由于采用的電池為10 Ah的錳酸鋰電池，為防止均衡電流過(guò)大對(duì)電池產(chǎn)生損害，設(shè)定最大目標(biāo)均衡電流為0.4 C。電路中選定的電容值為470 μF，電感不作為儲(chǔ)能元件，選定的值較小，約2.2 μH。開(kāi)關(guān)切換時(shí)間是關(guān)鍵因素，如果該時(shí)間過(guò)短，則電容充電不足，不能進(jìn)行能量的傳遞;若時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，則影響均衡速度。在RLC電路中，由公式推導(dǎo)得出電路屬性:

當(dāng)式(2)等于零時(shí)，電路發(fā)生諧振現(xiàn)象，f稱(chēng)為諧振頻率，此時(shí)電路阻抗達(dá)到最小，電流達(dá)到最大值，代入電容電感值計(jì)算可得f=4.952 kHz，開(kāi)關(guān)周期為:T=2.02╳10-4;當(dāng)式(2)小于零時(shí)，電路為容性電路，電路時(shí)間常數(shù)τ=RC。MOSFET管的開(kāi)關(guān)周期應(yīng)滿(mǎn)足:

式(3)中:R為電路中MOSFET導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)的等效電阻;C為RLC電路中的電容值。

本文以z4468為例。導(dǎo)通電阻為15 mΩ，每個(gè)回路中有2個(gè)MOS管，代入式(2)計(jì)算得出T大于等于1.551×10-4s。因本文是采用容性電路建立的均衡模型，基于以上計(jì)算，選取MOSFET管的開(kāi)關(guān)頻率為5 kHz。此時(shí)，電路為容性電路且開(kāi)關(guān)頻率接近諧振頻率，電路損耗較低。電池內(nèi)阻和MOSFET損耗是電路損耗的主要來(lái)源。電池內(nèi)阻損耗屬于不可控因素。MOSFET的損耗主要分為導(dǎo)通損耗和開(kāi)關(guān)損耗［7］，可分別計(jì)算得出。

導(dǎo)通損耗:

其中:Id為MOSFET管導(dǎo)通時(shí)的電流;Rds為MOSFET的導(dǎo)通內(nèi)阻。

其中:fs為MOSFET開(kāi)關(guān)的頻率;VDD為漏極電源電壓;ID為漏極電流;T1為MOSFET管開(kāi)通時(shí)間，T2為關(guān)斷時(shí)間。

MOSFET的開(kāi)關(guān)損耗與開(kāi)關(guān)頻率成正比，本文采用的頻率為5 kHz。根據(jù)文獻(xiàn)［8-9］可知:在此頻率下MOSFET的損耗主要來(lái)自導(dǎo)通損耗。模型中模塊5用于測(cè)量MOSFET管導(dǎo)通過(guò)程中產(chǎn)生的損耗。

3.3 仿真結(jié)果與分析

為防止電感工作在滿(mǎn)負(fù)荷狀態(tài)，本文設(shè)定開(kāi)關(guān)管的占空比略小于50%。由于電路中損耗主要來(lái)自MOSFET管在導(dǎo)通時(shí)產(chǎn)生的熱量，且4個(gè)MOSFET管的工作狀況相同，故設(shè)置一個(gè)監(jiān)視模塊觀測(cè)其中一個(gè)MOSFET管工作時(shí)的發(fā)熱情況，仿真結(jié)果見(jiàn)圖8。

圖8 2個(gè)單體電池兩端的電壓

由圖8可以看出:在預(yù)設(shè)2節(jié)單體電池的端電壓分別為4.0 V和3.9 V時(shí)，滿(mǎn)足均衡開(kāi)啟條件，均衡模塊開(kāi)啟，均衡效果明顯，在700 s的時(shí)間內(nèi)完成壓差為100 mV的均衡。由圖9可以看出:一個(gè)MOSFET管在整個(gè)均衡過(guò)程中的損耗，峰值損耗功率在0.25 W左右。結(jié)合本文所做的損耗分析模型并對(duì)電路中各部分電流電壓的乘積進(jìn)行積分可得出電路中各個(gè)部分的能量流動(dòng)情況。以0.1 s內(nèi)能量轉(zhuǎn)化情況為例，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

圖9 MOSFET管的功率損耗

表1 均衡電路各部分能量值

由表1結(jié)果可知:均衡電路的能量轉(zhuǎn)化效率高達(dá)97.97%;MOSFET的損耗占電路損耗比重最大，達(dá)60%;其余損耗來(lái)自電池內(nèi)阻以及電容電感在能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中產(chǎn)生的損耗。綜上可得:此均衡電路均衡效果較好，效率較高。在均衡末期，當(dāng)2塊電池的電壓差不大于20 mV時(shí)，均衡模塊關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)控制。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)動(dòng)力鋰離子電池組一致性問(wèn)題提出了一種經(jīng)濟(jì)、高效的均衡方案，并提出以效率、速度作為評(píng)判均衡電路效果的兩大標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)設(shè)計(jì)原理搭建了Simulink模型進(jìn)行仿真，仿真均衡效果理想，為電池成組提供了無(wú)損均衡的充放電解決方案。由于電池仿真模型來(lái)源于實(shí)車(chē)電池包單體電芯，因此本文所提出的電容電感均衡方案具有較高的理論參考價(jià)值及實(shí)際指導(dǎo)意義。

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(責(zé)任編輯 劉舸)

Active Equalization Scheme in BMS Based on Capacitor Circuit

HE Zhi-gang1，ZHENG Ya-feng1，SUN Wen-kai2，CHEN Shang-wei1
(1.College of Automobile and Traffic Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang 212013，China; 2.Shandong Xindayang Electric Vehicle Co.Ltd.，Linyi 276000，China)

According to the electric vehicle power battery un-consistent problem，battery management system is needed to settle the un-consistent problem of batteries in the electric vehicle.Based on the analysis of existing equalization scheme，this paper introduced an active equalization method with capacitive circuit.One kind of battery used in a domestic electric vehicle is set as an example and the active equilibrium model is established in matlab/Simulink software.The simulate results show that this scheme meets the expected requirement.

capacitive circuit;active equilibrium;simulation

U469.72

A

1674-8425(2014)08-0013-05

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2014.08.003

2014-02-17

何志剛(1975—)，男，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事電動(dòng)汽車(chē)方面研究。

何志剛，鄭亞峰，孫文凱，等.采用容性電路的BMS主動(dòng)均衡方法［J］.重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2014(8):13-17.

format:HE Zhi-gang，ZHENG Ya-feng，SUN Wen-kai，et al.Active Equalization Scheme in BMS Based on Capacitor Circuit［J］.Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science，2014(8):13-17.