電動汽車鋰電池組主動均衡的研究

周西峰，賈星遠，郭前崗

（南京郵電大學 自動化學院，江蘇 南京 210023）

0 引言

由于鋰電池具有能量密度高、自放電率低、循環壽命長等優點，目前已廣泛應用于電動汽車領域。在鋰電池使用過程中，需要將多節單體電池通過串并聯后為電動汽車提供能量。此時單體電池性能的差異會導致電池組出現不一致性現象，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，該主動均衡系統通過能量雙向轉移的方式，不管在電池組充電、放電還是靜態階段，都可以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[3-4]。

1 主動均衡結構設計

基于變壓器的鋰電池組雙向均衡系統由數據采集模塊、均衡主控模塊、均衡模塊與上位機4部分組成，如圖1所示。

圖1 均衡系統結構圖

（1）數據采集模塊：電壓采集使用凌力爾特推出的第三代電池組監測專用芯片LTC6804，該芯片能測12個串聯的單體電池，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 μs。系統通過電壓采集模塊持續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動MOS管對電池進行均衡。MCU使用PIC高性能微處理器。

（2）均衡主控模塊：該模塊主要由均衡芯片LTC3300構成，它是一款帶故障保護的控制器IC，適用于多節電池的變壓器雙向主動均衡，集成了相關柵極驅動電路、高精度電池感測、故障檢測電路和帶內置看門狗的串行接口[6-7]。LTC3300可實現6節單體的雙向同步反激式均衡，10 A最大均衡電流，能夠達到92%電荷轉移效率，1 MHz可菊鏈式串行接口兼容SPI，可對6節串聯單體電池均衡，未執行均衡操作時的靜電流為 23.5 μA。

（3）均衡模塊：均衡主控通過均衡策略來控制MOSFET的打開和關斷。當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。

對于圖2來說，假設檢測到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G1P控制M1場效應管接通，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G1P隨后控制M1斷開，存儲在變壓器中的能量被轉移到次級繞組中，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G1S控制M2斷開，初級開關G1P重新控制M1接通，如此重復循環。這樣，CELL1多余的電荷即可從該單體逐漸轉移到需要電池的模塊中，達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。

圖2 變壓器雙向均衡模塊

2 電路仿真

仿真工具采用凌力爾特公司提供的模擬軟件LTspiceIV，仿真參數為：電池組由 6節電池串聯而成，MOSFET開關頻率為 5 kHz；檢測電阻 Rpri=Rsec=25 mΩ，變壓器匝數比為 1∶1；變壓器初、次級勵磁電感 Lm=30 μH；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到2 A時（峰值電流），初級 MOS關斷，在初級 MOS關斷瞬間，次級MOS打開，能量從初級變壓器繞組轉移到次級變壓器繞組，當次級繞組檢測到電流為零時，次級MOS關斷。這樣實現初級繞組與次級繞組能量的雙向傳遞，從而重復上述循環。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，均衡系統具有速度快的特點，所以該方案具有可行性。

圖3 初、次級均衡脈沖電流

3 系統測試

實驗采用的電池組額定總容量為4.8 Ah，由8節磷酸鐵鋰電池串聯組成，單體額定電壓為3.6 V，單體額定容量為600 mAh，在初始狀態不一致的情況下，采用本系統在電池空載狀態下對其進行均衡。均衡前電壓如圖4所示，由上位機采集所得，其中標號為Cell 14的電壓最高為3.474 V，標號為Cell 10的電池電壓最低為3.287 V。經過30 min靜態空載測試后，繪制成如圖5所示的坐標圖，從中可以看出，各個單體電池的電壓趨于一致，所以該方案具有實用性。

圖4 上位機采集的均衡前電壓值

圖5 均衡前后電壓值

4 結束語

為了解決電動汽車鋰電池成組后的不一致性，本文設計了雙向反激式變壓器均衡系統，采用了簡單的雙繞組變壓器實現多個單體的雙向均衡，均衡電流高、速度快，減少了均衡時間。從實驗結果看，該均衡方案能夠將能量從高電壓的單體向低電壓的單體轉移，使各個單體電壓趨于一致，達到均衡的效果，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。

[1]楊春雷.電動汽車電池管理系統關鍵技術的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2011.

[2]楊洪.純電動汽車鋰電池組充電均衡技術的研究[D].鄭州：鄭州大學，2012.

[3]王波.基于LTC6803的電池管理系統的設計[J].電源技術，2013，37（7）：1188-1190.

[4]王牧之，王君艷.反激式高頻變壓器的分析與設計[J].現代電子技術，2011，34（8）：157-160.

[5]李哲.純電動汽車磷酸鐵鋰電池性能研究[D].北京：清華大學，2011.

[6]譚小軍.電池管理系統深度理論研究[M].廣州：中山大學出版社，2014.

[7]王旭光.動力電池組均衡研究與設計[D].杭州：杭州電子科技大學，2011.