動力電池組移位選通均衡充電方案設計

陳曦，何志杰（福建師范大學物理與能源學院，福建福州　350117）

動力電池組移位選通均衡充電方案設計

陳曦，何志杰
（福建師范大學物理與能源學院，福建福州350117）

摘要：提出了一種動力電池組移位選通均衡充電系統，該系統為每節電池配備一個選通充電模塊。電池管理系統通過控制選通充電模塊，增大充電慢的電池的充電電流，加快其充電速度，實現動力電池組的均衡充電。選通充電模塊采用移位選通的控制方式，使控制電路結構簡單，便于擴展。實驗表明，采用該系統，充電結束時電池端電壓僅相差50 mV且沒有過充電，達到電池組均衡充電的目的。

關鍵詞：均衡充電；移位選通；動力電池組

0　前言

由于日益嚴重的環境與能源問題，節能環保的電動汽車是未來汽車的重要發展方向。電動汽車一般由多節大容量鋰電池串聯成動力電池組為其提供能量來源，而電池組中各節電池性能的不一致，是制約電池組容量和壽命的關鍵因素，嚴重影響電動汽車的發展[1]。因此，對動力電池組進行均衡充放電是電池管理系統的關鍵部分。

目前，已有許多研究人員提出了均衡充放電的方案，主要分為能量消耗型和能量轉移型。前者能量損耗大，不適用于動力電池組；后者拓撲結構復雜，不利于在電動汽車中應用，因此，本文提出了一種動力電池組移位選通均衡充電的方法。

1　基本原理

電動汽車動力電池組單體電池性能不一致性的解決難點在于各單體電池是串聯連接的。在電池組充電與放電時，各節電池流過的電流是相同的。目前，大部分的均衡充放電方案是將能量多的單體電池的能量轉移到其它能量少的單體電池或公用儲能模塊[2-3]。這種方案將能量在電池間進行轉移，降低了均衡效率，同時也增加了控制系統的復雜性。因此，本文提出了一種動力電池組移位選通均衡充電方案，采用選通充電的方式對充電慢的單體電池進行補充充電，加快單體電池的充電速度，從而提高電池組整體的充電速度。各單體電池的荷電狀態采用電壓法進行估算，電池管理系統根據各單體電池的荷電狀態控制選通充電模塊工作，實現電量多的電池充電電流小，電量少的電池充電電流大，從而達到良好的均衡充電效果。

2　拓撲結構

本文提出的動力電池組移位選通均衡充電系統的拓撲結構相比傳統能量轉移型的拓撲結構簡單，并且具有可擴展性，如圖1所示。

圖1　移位選通均衡充電系統拓撲結構

該均衡充電系統由主充電電源、一個開關管Qs、n節電池和n個與電池一一對應的選通充電模塊組成[4]。主充電電源提供主充電電流Ih給電池組充電，每個選通充電模塊由一個變壓器和一個光電繼電器組成，光電繼電器具有隔離作用，且響應速度快，使用壽命長。

其中，均衡充電的選通利用光電繼電器的開關作用來實現。以電池B1為例，當電池管理系統檢測到B1電池的電壓較低，需要加快充電時，電池管理系統輸出PWM信號驅動開關管Qs工作，同時將光電繼電器U2、U3、…、Un導通，則B1對應的變壓器開始工作，其他選通充電模塊的變壓器沒有工作，電流經過光電繼電器U2、U3、…、Un流向開關管Qs，則開關管Qs、反激變壓器T1、二極管D1共同構成了一個反激式開關電源，給電池B1提供額外的充電電流。其原理如圖1所示，流過電池B1的充電電流大于其他電池的充電電流，加快了電池B1的充電速度，最終達到均衡充電的目的。

3　移位選通方案設計

光電繼電器常見的控制方法為I/O口直接控制，該方法控制邏輯簡單，但應用在多節電池構成的動力電池組中就需要大量的I/O口，導致系統繁雜。基于此，本文提出了一種由D觸發器和光電繼電器構成的移位選通方案。

光電繼電器的通斷由n個D觸發器組成的移位選通系統控制，移位選通系統的工作原理如圖2所示，移位選通系統只需要一路Clock信號來驅動圖中的n個D觸發器，其中，D1、D2、…、Dn為D觸發器，第一個觸發器D1的Q輸出接第二個觸發器D2的輸入D，第二個觸發器D2的Q輸出接第三個觸發器D3的輸入D，以此類推，第n-1個觸發器Dn-1的Q輸出端接第n個觸發器Dn的輸入D。觸發器D1、D2、…、Dn的反向輸出接各自相互對應的S1、S2、…、Sn，S1、S2、…、Sn為光電繼電器的控制開關，當Qˉ輸出為低電平時光電繼電器斷開，變壓器接入反激式開關電源中，當ˉ輸出為高電平時光電繼電器導通，變壓器不接入反激式開關電源中。因此，控制觸發器D1、D2、…、Dn的輸出高或低電平，即可實現對光電繼電器的選通[5]。

移位選通方案的邏輯時序如圖3所示，移位選通系統只需要一路Clock信號來驅動n個D觸發器，Din為第一個觸發器的輸入電平，、、…、為觸發器D1、D2、…、Dn的反向輸出。

圖2　移位選通方案

圖3　移位選通時序圖

本移位選通方案中的D觸發器為上升沿觸發，在輸入Clock信號前，將第一個觸發器的D輸入端置為高，則第一個Clock觸發信號輸入時，第一個D觸發器的輸出端Q1輸出高電平，反向輸出端Qˉl輸出低電平，Qˉ2、…、Qˉn輸出均為高電平，此時，第一個光電繼電器斷開，其他光電繼電器均處于導通狀態，因此只有第一個電池對應的變壓器T1接入反激式開關電源中。在輸入第二個Clock信號前，將第一個觸發器的D輸入端置為低電平。在輸入第二個Clock信號后，Qˉl輸出變為高電平，D2的輸出Q2變為高電平，Qˉ2變為低電平，因此只有第二個電池對應的變壓器T2接入反激式開關電源中，以此類推，每發送一次Clock信號，D觸發器的輸出高電平就傳給下一個D觸發器，選通狀態就下移一個。因此，輸入n 個Clock信號，就能實現對第n個選通模塊的選通，從而達到移位選通的目的[6]。

采用移位選通的控制方式，只需要一路Clock信號和一路D輸入信號就能實現對n個選通模塊的控制，模塊的數量增加，不增加控制信號的復雜程度，克服了直接I/O口控制的缺點，使控制電路更簡單。實際工作中，選通充電模塊直接安裝在對應的單體電池上，各選通充電模塊串聯連接，減少了走線數量，選通充電模塊的Clock信號和D輸入信號由電池管理系統根據電池狀態提供。

4　實驗結果

實驗中，選取三節端電壓各不相同的鋰電池串聯而成的電池組進行選通均衡充電，電池充電前的開路電壓分別為3.33 V、3.10 V、2.92 V。反激式變壓器設計時針對動力電池組的實際情況，設計輸入電壓為110 V~220 V，而由三個電池組成的電池組電壓過低，圖1中的Vc由110 V直流電源供電。起始充電階段，第三節電池的電壓遠低于第一節電池，則電池管理系統控制第三個選通充電模塊工作，第三節電池充電電流增大，電壓上升變快，當三節電池電壓都上升到3.36 V時，三節電池進入了鋰電池的主充電區域。電池管理系統控制三個選通充電模塊都不工作。當第一節和第二節電池率先退出主充電區域時，電壓快速上升，第三節電池的端電壓變為最低，選通充電模塊開始工作，加快充電速度。最終充電結束的三節電池的端電壓依次為4.00 V、3.99 V、3.95 V。端電壓僅相差50 mV且沒有過充電，而未采用該均衡充電系統時電池的端電壓極差為220 mV。

5　結論

本文提出的動力電池組移位選通均衡充電系統有別于目前的大部分均衡充電系統。本均衡系統為每節電池配備了一個選通充電模塊，通過選通充電模塊加快電池的充電速度，選通充電模塊直接安裝在電池上，空間利用率高。同時，本文提出了一種移位選通的控制方式，利用2個I/O口實現對所有選通充電模塊的控制，模塊數量的增加不影響控制的復雜程度，特別適合于由數量較多的單體電池串聯而成的動力電池組。

參考文獻：

［1］麻友良，陳全世.混合動力電動汽車用蓄電池不一致的影響分析［J］.汽車電器，2001（2）：5-9.

［2］Yuang-Shung，Lee and Chun-Yi Duh，Battery Equal?ization Using Bi-directional C?k Converters in DCVM Op?eration［C］.PESC Record - IEEE Annual Power Elec?tronics Specialists Conference，2005：765-771.

［3］黃勤，嚴賀彪，凌睿.串聯鋰電池組無損均衡管理方案設計與實現［J］.計算機工程，2011（12）：226-229.

［4］李定宣.開關穩定電源設計與應用［M］.北京：中國電力出版社，2006.

［5］童詩白，華成英.模擬電子技術基礎：第4版［M］.北京：高等教育出版社，2006.

［6］閻石.數字電子技術基礎：第5版［M］.北京：高等教育出版社，2006.

(編輯：向飛)

Research on Shift Gating Equalization Charging System for Power Battery Pack

CHEN Xi，HE Zhi-jie
（College of Physics and Energy，Fujian Normal University，Fuzhou350117，China）

Abstract:This paper presents a shift gating equalization charging system for power battery pack.Each cell is equipped with a gating charging module in this system.In order to make an equalization charging for power battery pack，battery management system control gating charging module，increasing the charging current of the battery which is charging slowly，accelerating the charging speed.Gating charging module using the shift gating control mode，this control circuit structure is simple and easy to expand.Experiments show that using this system，when charging is completed the battery terminal voltage difference is only 50mV and no overcharging，the power battery pack achieving an equalization charging purposes.

Key words:equalization charging；shift gating；power battery pack

作者簡介：第一陳曦，女，1988年生，河南人，碩士研究生，助教。研究領域：電子技術、模式識別與智能系統。已發表論文3篇。

收稿日期：2015－05－14

DOI:10.3969/j.issn.1009-9492.2015.08.029

中圖分類號：TM910.6

文獻標識碼：A

文章編號：1009－9492 (2015 ) 08－0106－03