磷酸鐵鋰動(dòng)力電池組的主動(dòng)均衡電路設(shè)計(jì)與控制策略

趙 娜，王 艷，，殷天明，趙立勇

（1.北京交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，北京100044；2.畢節(jié)添鈺動(dòng)力科技股份有限公司 貴州 畢節(jié)551700）

磷酸鐵鋰動(dòng)力電池組的主動(dòng)均衡電路設(shè)計(jì)與控制策略

趙 娜1，王 艷1，2，殷天明2，趙立勇1

（1.北京交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，北京100044；2.畢節(jié)添鈺動(dòng)力科技股份有限公司 貴州 畢節(jié)551700）

針對單體電池的差異而引起的電池效率及壽命等問題，提出了一種基于磷酸鐵鋰電池的主動(dòng)均衡電路設(shè)計(jì)及其控制策略。采用恒流源充電式主動(dòng)均衡方式，設(shè)計(jì)了基于Buck電路的DC/DC恒流源，使用DSP數(shù)字PI控制PWM波來實(shí)現(xiàn)恒流源充電電流穩(wěn)定，DSP通過CAN通信控制繼電器閉合來實(shí)現(xiàn)對欠電壓電池充電。繼電器作為開關(guān)器件并設(shè)計(jì)了繼電器粘連檢測電路。針對均衡模型采用MATLAB/Simulink進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證均衡控制原理的可行性。在車載實(shí)驗(yàn)中，成功地實(shí)現(xiàn)了對105節(jié)磷酸鐵鋰電池的均衡控制，保證了較好的一致性，從而提高了電池組的續(xù)航能力，達(dá)到了高效準(zhǔn)確的均衡效果。

磷酸鐵鋰電池；主動(dòng)均衡；恒流源；DSP；繼電器粘連檢測

磷酸鐵鋰電池具有充放電電壓變化小、儲能大、無記憶性、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，是電動(dòng)汽車動(dòng)力電源的最佳選擇之一。磷酸鐵鋰電池組由很多單體電池串聯(lián)而成，由于電池工藝等因素，導(dǎo)致電池特性發(fā)生變化而帶來差異。電池特性差異來源包括電池內(nèi)阻改變和電池老化，容易使電池充電過程中發(fā)生過充電及內(nèi)阻抗增大現(xiàn)象，使得端電壓變化明顯，縮短電池壽命。為了能夠使電池組中的電池特性保持一致性，提高電池組利用率、延長電池壽命，需對電池進(jìn)行容量均衡。早期均衡系統(tǒng)采用被動(dòng)均衡，效率低且能耗高，而后由美國、日本等國提出的主動(dòng)均衡方案效率高且能耗低[1-2]。

目前，電動(dòng)汽車多采用主動(dòng)均衡技術(shù)，例如有采用飛度電容法與變壓器法為基礎(chǔ)，以SOC（State of Charge）為參數(shù)進(jìn)行主動(dòng)均衡[3]；通過EMI（Electro Magnetic Interference）濾波后進(jìn)行充電的主動(dòng)均衡方式等[4]。文中基于主動(dòng)均衡原理，采用DSP數(shù)字PI控制恒流源充電、CAN通信配合繼電器開關(guān)方式以及繼電器粘連檢測對105節(jié)電池進(jìn)行均衡，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其均衡效果高效、穩(wěn)定、節(jié)能。

1 典型均衡電路工作原理

如今出現(xiàn)的各種均衡方式大致可分為兩類：主動(dòng)均衡與被動(dòng)均衡，這兩種方式也被稱作能耗均衡與非能耗均衡[5-6]。

2 主動(dòng)均衡電路設(shè)計(jì)與控制

文中設(shè)計(jì)的電池均衡方案如圖1所示，采用TMS320F2812型號DSP作為核心處理器，方案采用DC/DC充電式均衡[7-8]。電池管理系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對電池狀態(tài)信息進(jìn)行采集，根據(jù)單體電池電壓判斷電池組中的電池是否均衡，本文設(shè)計(jì)均衡開啟條件為單體電池電壓最大值與最小值差大于0.1 V。均衡系統(tǒng)工作時(shí)，控制單元控制開關(guān)閉合，形成充電電流的流通路徑。路徑選擇完成后，系統(tǒng)數(shù)字PI調(diào)節(jié)完成DC/DC恒流源控制，給單體電池進(jìn)行充電[9-10]。為滿足電動(dòng)汽車的復(fù)雜工況，具備顯著的均衡效果，均衡電流設(shè)定為5 A，本文用繼電器作為開關(guān)。

圖1 主動(dòng)均衡結(jié)構(gòu)

2.1 主動(dòng)均衡電路設(shè)計(jì)

2.1.1 恒流源電路參數(shù)設(shè)計(jì)

恒流源電路是通過數(shù)字PI控制的Buck電路來實(shí)現(xiàn)的，Buck電路輸入電壓是電池組通過DC/DC產(chǎn)生的15 V電壓，DSP通過數(shù)字PI對PWM進(jìn)行控制，電路輸出側(cè)為恒流5 A。電路拓?fù)淙鐖D2所示[11-12]。

圖2 恒流源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在Buck電路中，實(shí)際輸出電壓是所需要的直流分量與少量諧波的疊加。電感和電容組成低通濾波器，從而能夠抑制輸出電壓開關(guān)頻率及其諧波分量。電感電流波形近似為線性，在開關(guān)閉合階段，電流線性變化。斜率為（Ud-Uo）/L，在開關(guān)斷開階段，電流線性減小，斜率為（-Uo/L）電感工作在連續(xù)模式[13-14]。

電感計(jì)算：

電流紋波典型值是在滿載時(shí)直流分量的10%-20%，電流紋波不希望太大，否則增大流過電感和半導(dǎo)體開關(guān)器件的電流峰值，進(jìn)而將增加功率的損耗及體積。通過選擇合適的電感來得到希望的電流紋波值，由（1）公式變換得到

將（2）公式進(jìn)一步得到

其中輸出電壓Uo設(shè)置為3.3 V，開關(guān)頻率50 kHz，按紋波10%的條件，可以得到電感L的值要大于80μH。

2.1.2 繼電器粘連檢測設(shè)計(jì)

文中采用的繼電器屬于電磁式繼電器，靠機(jī)械運(yùn)動(dòng)完成開關(guān)作用，在長時(shí)間使用過程中，由于塵埃污染、金屬熔融等原因，會使繼電器產(chǎn)生粘連。粘連后，如若不進(jìn)行粘連檢測，直接對下一單體電池進(jìn)行均衡，閉合繼電器時(shí)，兩單體電池以及中間各電池就會短接，將電池組燒毀。因此，本文設(shè)計(jì)了繼電器粘連檢測，防止危險(xiǎn)發(fā)生，有效排除意外。繼電器粘連檢測結(jié)構(gòu)如圖3所示，Buck電路兩端DC+、DC-分別連接到均衡電池正負(fù)兩端。最后一個(gè)從繼電器K106與DC+連接，經(jīng)過光耦將信號發(fā)送到DSP，作為標(biāo)志位F106。文中的檢測方法，針對主、從繼電器粘連進(jìn)行檢測，由于粘連會發(fā)生在Buck電路充電均衡后，所以對一次均衡后所有動(dòng)作的繼電器進(jìn)行均衡，一經(jīng)檢測發(fā)生粘連，立刻報(bào)警并停止電池均衡。

粘連檢測過程：檢測前，確保Buck電路已停止工作，保證安全。首先，判斷最后一次均衡的電池是否為最后一塊電池BT105，若是則通過標(biāo)志位F106來判斷最后一個(gè)從繼電器K106是否粘連，若粘連則報(bào)警；若沒有粘連則進(jìn)行下述檢測方法[16]。若最后一塊進(jìn)行均衡的電池不是 BT105或者是 BT105但K106沒有粘連，則將最后一塊進(jìn)行均衡的電池正、負(fù)兩端斷開，斷開后判斷VB是否為零，若不為零，說明已有繼電器粘連（負(fù)端從繼電器），馬上報(bào)警停止均衡；若為零，主繼電器動(dòng)作，切換電池正負(fù)端，判斷VB是否為零，若不為零，說明已有繼電器粘連（正端繼電器）；若為零，將該電池負(fù)端從繼電器重新閉合，判斷VB是否為零，若不為零，說明已有繼電器粘連（主繼電器）；若為零，說明上一次均衡過后，動(dòng)作的繼電器均沒有粘連。

圖3 繼電器粘連檢測結(jié)構(gòu)

2.2 軟件設(shè)計(jì)

主動(dòng)均衡的控制程序，包含數(shù)字PI恒流源的產(chǎn)生，主繼電器動(dòng)作控制，繼電器粘連檢測，當(dāng)均衡條件滿足時(shí)均衡開啟，此時(shí)主控單元將通過CAN通信使相關(guān)采集繼電器動(dòng)作，隨后控制主繼電器動(dòng)作，最后將恒流源開啟。當(dāng)均衡電池滿足關(guān)閉條件后，需要關(guān)閉恒流源輸出，然后進(jìn)行繼電器粘連檢測。繼電器粘連檢測流程圖如圖4所示，均衡控制流程圖如圖5所示。

圖4 繼電器粘連檢測流程圖

圖5 均衡控制程序流程圖

3 仿真及實(shí)驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證本文均衡控制策略效果，在MATLAB/ Simulink環(huán)境下搭建仿真模型，建模過程中進(jìn)行了如下簡化：采用Simulink中自帶的理想鋰電池模型，仿真模型數(shù)據(jù)會優(yōu)于實(shí)際數(shù)據(jù)，雖與實(shí)際電池有些許區(qū)別，但是仿真的目的主要是驗(yàn)證均衡效果；仿真中采用5個(gè)電池模型，簡化仿真數(shù)據(jù)；采用SOC檢測代替單體電池電壓檢測，由于理想電池模型中額定電壓幾乎不變，所以均衡效果用SOC表示；實(shí)際均衡中，每一次均衡結(jié)束會停頓數(shù)秒來重新檢測電池狀態(tài)，理想電池模型極化電壓可以忽略，不需采集電壓，因而仿真中均衡是連續(xù)進(jìn)行的。如圖6所示，（a）圖表示單體電池電壓在均衡時(shí)隨時(shí)間的變化，（b）圖表示5節(jié)電池在均衡過程中SOC隨時(shí)間的變化。由圖可知，本文中均衡控制效果明顯，證實(shí)了均衡原理的正確性。

圖6 均衡仿真波形

文中的車載實(shí)驗(yàn)平臺由磷酸鐵鋰電池組，電池管理系統(tǒng)主控單元及采集單元，液晶顯示單元構(gòu)成。電池組由105節(jié)深圳中聚公司的磷酸鐵鋰電池串聯(lián)組成。經(jīng)過車載實(shí)驗(yàn)調(diào)試與改進(jìn)后，將電池管理系統(tǒng)主控單元、采集單元與電池裝入電池箱中，主控單元裝在電池箱中的首箱位置，將105節(jié)磷酸鐵鋰電池分為7個(gè)采集單元，同時(shí)將主控單元外殼打開，便于觀察主控單元的運(yùn)行狀態(tài)。

圖7 均衡電流整體測試

恒流源電路調(diào)試主要是對PI參數(shù)進(jìn)行整定，本文中恒流源電路的工作頻率是50 kHz，電路采樣反饋頻率不能太低，否則將會帶來波形的失真。PI參數(shù)的調(diào)整首先將比例環(huán)節(jié)的比例系數(shù)提高，滿足輸出的要求，然后對積分環(huán)節(jié)的系數(shù)逐漸調(diào)高，減小系統(tǒng)電流輸出震蕩，從而滿足恒流源輸出電流的紋波范圍。其中恒流源電路DSP輸出PWM脈沖波形如圖8所示。

調(diào)試過程中，電流輸出波形沒有通過電流探頭進(jìn)行測試，是通過采樣電阻的電壓來表現(xiàn)。采樣電阻為0.1 Ω，因電流為5 A，電阻壓降較小，經(jīng)過放大倍數(shù)20的運(yùn)放后，電壓測量在1 V左右。

圖8 PWM輸出波形

4 結(jié) 論

文中所設(shè)計(jì)主動(dòng)均衡技術(shù)雖然完成了對電池電量均衡的有效改善，但因?qū)嶒?yàn)設(shè)備與技術(shù)水平有限，該均衡技術(shù)仍需進(jìn)一步優(yōu)化，接下來的優(yōu)化重點(diǎn)是對電池特性進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)，更全面的獲取電池的參數(shù)，優(yōu)化軟件框架，提高均衡效率，使得均衡系統(tǒng)更加穩(wěn)定、高效、可靠。

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Circuit design and control strategy based on active equilibrium of lithium iron phosphate power battery group

ZHAO Na1，WANG Yan1，2，YIN Tian-ming2，ZHAO Li-yong1
（1.School of Electrical Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China；2.Bijie Tianyu Science and Technology co.，LTD，Bijie 551700，China）

In the light of the battery efficiency and life span are caused by the difference of the single cell，a design and control strategy of active equalization circuit based on lithium iron phosphate battery is proposed.Using constant current source charging mode，the DC/DC constant current source based on Buck circuit is designed.The use of DSP digital PI control PWM to realize the charging current stable constant current source，DSP through the CAN communication control relays to achieve the closure of under voltage battery charging.The relays are used as the switch device，and the relay adhesion detection circuit is designed.According to the equilibrium model，MATLAB/Simulink is used to simulate and analyze the feasibility of the principle of balance control.In the vehicle experiment，successfully realized on section 105 of lithium iron phosphate battery equalization control，guarantee a better consistency，so as to improve the battery life，achieves the accurate and efficient equilibrium effect.

lithium iron phosphate battery；active equilibrium；constant current source；DSP；relay adhesion test

TN912

：A

：1674-6236（2017）08-0105-04

2016-03-29稿件編號：201603366

趙娜（1989—），女，回族，黑龍江齊齊哈爾人，碩士。研究方向：電力電子與電力傳動(dòng)、電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)。