基于變壓器式均衡模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制作

陳 強(qiáng) 陳習(xí)陽

（柳州工學(xué)院，廣西 柳州 545616）

0 引言

傳統(tǒng)汽車的迅猛發(fā)展導(dǎo)致全球能源的需求量劇增，導(dǎo)致全球范圍內(nèi)的化石能源儲(chǔ)量的不斷減少，且大量使用石油、天然氣等化石能源會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成破壞。電能是為數(shù)不多的可代替化石能源的環(huán)保能源，因此電動(dòng)汽車逐漸成為研發(fā)的重點(diǎn)和市場的熱點(diǎn)。制約電動(dòng)車大規(guī)模應(yīng)用的因素有續(xù)航里程短、充電難、充電慢等。電池作為電動(dòng)汽車的關(guān)鍵部件，其對(duì)電動(dòng)汽車性能的優(yōu)劣有著極大影響。為了能夠給電動(dòng)汽車提供充足可靠的驅(qū)動(dòng)力，動(dòng)力電池組件要由若干節(jié)鋰離子單體電池進(jìn)行串聯(lián)或并聯(lián)驅(qū)動(dòng)，以確保能夠滿足純電動(dòng)汽車的行駛需求。由于單體電池的總體技術(shù)參數(shù)不完全相同，以及電池對(duì)工作環(huán)境溫度變化和電池自充放電的程度變化等的要求也不同，導(dǎo)致電池組間不完全一致，這會(huì)導(dǎo)致電池組的使用壽命和可用容量縮減，嚴(yán)重影響了電池組產(chǎn)品的實(shí)際使用效果，進(jìn)而導(dǎo)致電動(dòng)汽車的續(xù)航里程不足、電池壽命短。

為了解決上述問題，對(duì)動(dòng)力電池組進(jìn)行管理，即電池均衡管理系統(tǒng)［1］，也被稱為BMS管理系統(tǒng)。BMS管理系統(tǒng)具有電池狀態(tài)監(jiān)控、荷電狀態(tài)（SOC）估算以及電池均衡管理功能，即估測電池剩余電量、監(jiān)測和防止因過充電或過放電給電池造成損壞［2］、在單體電池電壓不一致時(shí)進(jìn)行調(diào)整。

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 基于變壓器的主動(dòng)均衡方案

基于變壓器的均衡方式是將變壓器設(shè)為能量存儲(chǔ)器，選擇不同的策略方式，通過儲(chǔ)能變壓器由電池組中電能高的單體電池向電能低的單體電池進(jìn)行充能［3］。

1.2 反激式變壓器均衡

當(dāng)開關(guān)打開時(shí)，輸入電壓在變壓器的一次繞組上。根據(jù)變壓器的極性，當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)，一次繞組的電壓極性為上面正極、下面負(fù)極，二極管被反向電壓截止。此時(shí)，電能以磁能的形式儲(chǔ)存在變壓器中。當(dāng)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，二次繞組電壓與上一次繞組的極性相反，此時(shí)二極管被正向電壓導(dǎo)通，磁能儲(chǔ)存在變壓器中，并以電能的形式釋放給電感L和負(fù)載的電能。雖然反激式變壓器均衡電路具有電路結(jié)構(gòu)簡單、成本低等優(yōu)點(diǎn)，但這種均衡方式只適合于小功率電源［4］。

1.3 單繞組式變壓器均衡

在運(yùn)行過程中，只要控制變壓器一次繞組和二次繞組的開關(guān)，就能將電能轉(zhuǎn)移到與二次繞組并聯(lián)的電池中，從而控制變壓器輸出電壓的方向，使得電量低的電池可優(yōu)先獲得更多的電量，從而實(shí)現(xiàn)單體電池之間電壓的均衡。在其電路中，每個(gè)變壓器的二次繞組下方都會(huì)并聯(lián)一個(gè)單體電池，當(dāng)電路開始工作時(shí)，控制均衡開關(guān)器的閉合，一次繞組的開關(guān)閉合時(shí)，多余的能量將儲(chǔ)存到變壓器的一次繞組中。能量先存儲(chǔ)到變壓器中［5］，由變壓器作為中間載體傳遞給單體電池，開關(guān)斷開時(shí)，多余的能量將由變壓器的二次繞組傳向各單體電池。單繞組變壓器式均衡方式只適合處于充電狀態(tài)時(shí)的電池均衡，且均衡效率高。

1.4 多繞組式變壓器均衡

在多繞組式變壓器均衡電路中，會(huì)為每一節(jié)單體電池安裝一個(gè)變壓器。當(dāng)電路開始均衡時(shí)，通過控制變壓器一次繞組和副二次繞組的開關(guān)，就能將能量轉(zhuǎn)移到二次繞組所對(duì)應(yīng)的電池單體中。這種方式與單繞組變壓器式均衡類似，區(qū)別在于多繞組變壓器均衡電路中能在傳遞過程中實(shí)現(xiàn)能量的雙向傳遞，這種方法既可用單體電池給電池組充電，又可以讓電池組給單體電池充電。

多繞組變壓器均衡電路的優(yōu)點(diǎn)在于其能夠在單體電池與電池組之間實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)，但缺點(diǎn)是每一節(jié)單體電池都要有一個(gè)變壓器與之相并聯(lián)，變壓器自身體積較大，從而導(dǎo)致整個(gè)均衡電路過于龐大，無法應(yīng)用于汽車中。

通過對(duì)前面所述的幾種均衡方式的電路模型進(jìn)行研究，在對(duì)各種均衡方式的優(yōu)劣進(jìn)行對(duì)比后，本研究提出一種能夠在使用較少元器件、控制方式簡單的條件下有著較快均衡速度的方法，選擇單繞組式均衡方式，并結(jié)合單片機(jī)控制系統(tǒng)，均衡電路的開關(guān)采用單片機(jī)控制開關(guān)電源的方式，避免單體電池在充能時(shí)出現(xiàn)過充耗散能量，從而實(shí)現(xiàn)任意單體電池的能量傳輸。

本研究運(yùn)用仿真軟件進(jìn)行仿真分析與系統(tǒng)設(shè)計(jì)，通過系統(tǒng)仿真與參數(shù)分析，理論上實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池組在充放電時(shí)能以更快的均衡速度和更低的能量損耗達(dá)到均衡。

2 建立系統(tǒng)模型

2.1 系統(tǒng)框架

本研究設(shè)計(jì)的均衡系統(tǒng)整體上由以下4個(gè)模塊組成。

2.1.1 動(dòng)力電池組模塊。本研究設(shè)計(jì)的電池模塊是由3節(jié)鋰電池串聯(lián)而成的電池組。每個(gè)單體電池單元額定電壓為3.7 V，充電截止電壓為4.2 V，容量約為3 000 mAh。

2.1.2 信息采集模塊。采集模塊是對(duì)各單體電池的電壓值進(jìn)行電信號(hào)采集，將得到的各電池單元電壓傳給均衡控制模塊，由均衡控制模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析。

2.1.3 均衡電路模塊。均衡電路模塊是由均衡電路和控制開關(guān)電路組成，其是整個(gè)系統(tǒng)的核心，也是執(zhí)行均衡電池管理的主體。

2.1.4 均衡控制模塊。該模塊通過控制均衡系統(tǒng)的開啟和關(guān)閉，來接收傳遞過來的電池電壓參數(shù)，根據(jù)接收到的各單體電池的電壓值和設(shè)置好的均衡策略做出均衡處理結(jié)果。

本研究對(duì)變壓器式均衡系統(tǒng)進(jìn)行研究，該系統(tǒng)主要是由以上4個(gè)模塊組成，細(xì)分出的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有電壓信號(hào)采集單元、電池組單元、均衡控制單元、單片機(jī)、變壓器、穩(wěn)壓單元。該系統(tǒng)通過對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的電池性能參數(shù)進(jìn)行采集，當(dāng)電池各模塊間或單體電池間的電壓差超過允許差值時(shí)，系統(tǒng)將啟動(dòng)主動(dòng)均衡控制系統(tǒng)，為動(dòng)力電池提供控制策略。系統(tǒng)以變壓器為核心，以電池的工作電壓為均衡控制量，通過控制均衡系統(tǒng)的開關(guān)，從而控制變壓器的輸出電壓，使得電量較低的電池可獲得較多的電量，從而達(dá)到模塊間或單體電池間的電壓均衡。

3 程序設(shè)計(jì)及仿真研究

3.1 控制流程

系統(tǒng)通過采集模塊芯片來檢測電路內(nèi)各電池的電壓，然后根據(jù)采集到的電壓信息來估算各電池間的電壓值，在進(jìn)行判斷決策前，先設(shè)定電池間電壓允許差值V＝0.05 V，最后根據(jù)最初設(shè)置的電壓允許差值來判斷是否結(jié)束均衡或?qū)ψ钚‰妷簡卧_始均衡充電。

在均衡過程中，當(dāng)滿足Umax-Umin≥0.05 V判斷條件時(shí)，則開啟均衡控制開關(guān)，重復(fù)檢測每個(gè)單體電池的新電壓值，繼續(xù)找出電池電壓的最大單元和最小單元，并重復(fù)上述流程，持續(xù)對(duì)低壓電池進(jìn)行充電，直到該電池組中的電壓值不滿足均衡開啟條件為止。重復(fù)檢測電池電壓，如果判斷條件Umax-Umin＜0.05 V，則均衡系統(tǒng)關(guān)閉或不開啟。執(zhí)行總程序邏輯流程圖見圖1。

圖1 控制邏輯流程圖

3.2 仿真系統(tǒng)程序編程

當(dāng)電壓采集芯片MCP3204把各電池電壓信息通過引腳傳遞給單片機(jī)時(shí)，單片機(jī)P1.0口在接收這些信息后，會(huì)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，通過P0口輸出信號(hào)到LCD1602顯示器，并顯示各電池電壓數(shù)值大小。當(dāng)單片機(jī)接收到的電壓最小值與平均值之差的絕對(duì)值小于0.05 V時(shí)，均衡系統(tǒng)不工作，當(dāng)電壓最小值與平均值之差的絕對(duì)值大于0.05 V時(shí)，單片機(jī)通過引腳P2口輸出控制信號(hào)，控制CH0、CH1、CH2電路的導(dǎo)通和關(guān)閉，進(jìn)而控制電池的均衡充電。單片機(jī)通過P0口輸出信號(hào)至LCD1602液晶顯示器，可顯示電池實(shí)時(shí)變化的數(shù)值。

在C語言軟件中將程序編譯好后，確定程序沒有問題后將其轉(zhuǎn)為.hex文件，將.hex文件程序?qū)敕抡孳浖膯纹瑱C(jī)中，并開始仿真調(diào)試。

控制程序（截取main.c）

#include“main.h”

#include“l(fā)cd1602.h”

#include“mcp3204.h”

#include“stdio.h”

int temp；

float ch0，ch1，ch2；

char min_ch，max_ch；

float vol_min，vol_max；

char str［6］；

void delay50ms（uint t）；

void charge_equal（void）；

void main（void）

｛

L1602_init（）；∕∕lcd1602初始化

L1602_string（1，1，“CH0：”）；∕∕在第一行第二位顯示CH0：

L1602_string（1，9，“CH1：”）；∕∕在第一行第十位顯示CH1：

L1602_string（2，1，“CH2：”）；∕∕在第二行第二位顯示CH2：

∕∕∕∕第一個(gè)繼電器吸合，第一個(gè)參數(shù)是選擇哪一個(gè)繼電器，第二個(gè)參數(shù)是1吸合，0是不吸合

relay_ctrl（0，0）；∕∕調(diào)用relay.c文件里面的函數(shù)實(shí)現(xiàn)繼電器吸合

relay_ctrl（1，0）；∕∕調(diào)用relay.c文件里面的函數(shù)實(shí)現(xiàn)繼電器吸合

relay_ctrl（2，0）；∕∕調(diào)用relay.c文件里面的函數(shù)實(shí)現(xiàn)繼電器吸合

3.3 仿真與調(diào)試

3.3.1 電池電壓一致性時(shí)。當(dāng)RV1、RV2、RV3中的最大值與最小值的差值小于0.05 V時(shí)，電池不需要進(jìn)行均衡，均衡系統(tǒng)不工作，即發(fā)光二極管D2、D6、D4都不亮，繼電器均處于斷開狀態(tài)。

3.3.2 電池間存在電壓不一致性時(shí)。當(dāng)RV1、RV2、RV3中的最大值與最小值之間差值大于或等于0.05 V時(shí)，電池需要進(jìn)行均衡，系統(tǒng)開始工作，即發(fā)光二極管D4閃爍亮起，該繼電器處于閉合狀態(tài)，表示系統(tǒng)工作。

經(jīng)多次調(diào)試電池電壓，系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行。說明仿真達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，可根據(jù)電路圖進(jìn)行實(shí)物的制作。

4 結(jié)語

本研究提出的電池均衡方案是以保證電池系統(tǒng)的穩(wěn)定性和以解決單體電池不一致性為目的，提高動(dòng)力電池性能、延長電池組壽命，這將直接影響到電動(dòng)汽車的續(xù)航能力和安全問題。本研究結(jié)合變壓器和單片機(jī)對(duì)電池均衡方式進(jìn)行仿真模擬，對(duì)提高動(dòng)力電池組容量效率及整車?yán)m(xù)航里程有一定的技術(shù)參考價(jià)值。未來，對(duì)電池管理系統(tǒng)進(jìn)一步優(yōu)化升級(jí)還要考慮更多方面，如SOC的精確估算、更高級(jí)的算法、成本等。