基于驅動電機動力的鋰電池組均衡系統設計及應用

郭海軍

（甘肅能源化工職業學院，能源工程系，甘肅 蘭州 730207）

鋰離子電池常被用于電動汽車的蓄電池，其具備工作電壓高、安全性能好、無記憶效應、功率密度高、等優點，成為電動汽車動力電池領域研究學者的熱點研究內容[1]。由于一個獨立的鋰電池的工作電壓較低，而電動汽車在運行過程中需要較高的電壓額功率，因此為了達到提高鋰電池電壓的目的，通常情況下會將多節鋰電池串聯在一起組成電池組，為電動汽車提供實際所需的電壓，在串聯時鋰離子電池組中的單體電池能量不能保持一致會造成鋰電池可用容量和使用壽命降低的問題，針對這一問題本文提出一種基于驅動電機動力的鋰電池組均衡系統。

1 基于驅動電機動力的鋰電池組均衡系統硬件設計

基于驅動電機動力的鋰電池組在處于工作狀態時，均衡系統對電池信息進行實時的采集，同時還要對鋰離子電池電池組內的單體鋰電池之間的不同狀態激進型判斷。因此，本文均衡系統時通過脈沖寬度調制信號控制鋰電池組能量均衡功能的啟動或關閉。由于在控制過程中信號的傳輸頻率相對較高，因此選用的主控制芯片為8S103F3P6 TSSOP20微控制器。該型號主控制芯片的數據總線寬度為8bit，最大時鐘頻率為16MHz，程序存儲器為8kB，數據RAM大小為1kB，ADC分辨率為10bit[2]。該型號主控制芯片具有多條用于傳輸脈沖寬度調制信號的路徑，且在傳輸過程中能夠保證信號的穩定，運算處理能力遠高于其它相同功能的控制芯片。

本文系統中的均衡電路選用場效應管，其中包含了N溝道的金屬-氧化物半導體場效應晶體管，其中兩根效應晶體管與場效應管漏極連接，另外兩根效應晶體管與場效應管柵極連接[3]。利用電容電壓不能產生突變的原理，當脈沖寬度調制驅動信號為低電平時，柵極與源極之間的電勢差小于零，此時場效應管不導電；當脈沖寬度調制驅動信號為高電平時，電容電壓不能發生沖突，此時柵極與源極之間的電勢差大于零，場效應管開始導電，控制鋰電池組均衡。

2 基于驅動電機動力的鋰電池組均衡系統軟件設計

根據本文基于驅動電機動力的鋰電池組均衡系統電機控制需要實現的功能，其具體的軟件設計流程包括四部分，分別為上電復位、定時中斷、CANO接收中斷以及SCI接收中斷。當本文系統開始上電復位后，首先系統會自動開始進入到初始化狀態，在此狀態下，采集鋰電池組母線中的電流流動數據，并將電流信息打包處理，發送到CANO總線當中，在這一過程中電流包傳送的延時為0.5s。當定時中斷，系統開始計數，累計時間為1s，完成計數后，對請求信息進行校驗。當驗證通過后，將更新后的電池運行數據發送到CA總線當中。當CANO接收中斷后，系統開始解析協議，獲取電池運行數據信息，并實時更新電池運行狀態信息包括鋰電池單體電壓、母線電流以及鋰電池組的均衡狀態等信息[4]。當SCI接收中斷時，系統再次驗證請求信息，并將通過驗證的信息通過上位機發送的數據對標定變量包進行實時更新，再將更新后的標定包發送到CAN總線中，完成對鋰電池組的均衡調節。本文提供的軟件部分主要用于采集鋰電池單體的電壓，并對鋰電池單體進行均衡控制，并執行均衡功能。同時還需要與整個均衡系統進行實時的控制器域網通訊功能。

本文系統中的上位機監控采用LabWEIV9.1監控軟件，方便對鋰電池組均衡控制過程之中對其狀態進行監控，并針對不同的應用設備標定與其匹配的關鍵參數。LabWEIV9.1監控軟件時一種將測試測量、顯示和控制整合的標準圖形化編程軟件，通過建立虛擬狀態下的鋰電池組供電設備，為均衡控制人員提供所需。上位機中顯示部分把包括當前設備的調用接口、均衡模式、鋰電池組內部電池電壓變化曲線、鋰電池組參數等信息。均衡控制參數的選擇需要根據實際應用過程中進行重新標定。

3 實驗論證分析

本文選用臺架實驗對基于驅動電機動力的鋰電池組均衡系統與傳統均衡系統進行對比。

圖1 實驗結果對比圖

首先將6節鋰離子電池串聯在電池組中，通過示波器對其運行狀態進行檢測。分別在電池組中加入本文系統和傳統系統，并記錄兩種系統在運行過程中的各項參數，繪制成如圖1所示的實驗結果對比圖。

由圖1中的兩條對比曲線可以看出，在60次均衡實驗中，本文系統中鋰電池組在達到均衡狀態時所需要的時間明顯比傳統系統用時更短。因此，通過對比實驗證明，本文提出的基于驅動電機動力的鋰電池組均衡系統可以在更短的時間內均衡鋰電池組的能量，快速達到穩定狀態，進一步延長了鋰電池組的使用壽命。

4 結語

通過本文研究設計了一種新的用于鋰電池組均衡調節的系統，改善了傳統鋰離子電池組中存在的不一致性問題，并通過對比實驗證明了該系統與傳統系統相比更適用于調節鋰電池組的均衡。但本文系統設計只限于在鋰離子電池模組內部的均衡，而未考慮到模組外的均衡，因此在后續的研究中還將對著一方面的問題進行更加深入的研究。