鋰離子電池組均衡電路設計與仿真

朱浩，廖紅輝，鄂加強，鄧元望

(湖南大學機械與運載工程學院，湖南 長沙 410082)

0 引言

在電池使用的過程中，特別是儲能電站和電動汽車等復雜工況下，電池組被頻繁充電、放電，影響了電池的使用性能[1－6]。同樣，非正常溫度變化也惡化了電池穩定性，造成電池產生不均衡現象[7－10]。均衡電路的設計需要考慮均衡效率、功耗、電池數量等多個方面的因素[11－13]。作為車載電池包均衡系統，除了要保證良好的均衡效果，還需要從整車集成的角度出發，盡量減少電池包所占用的幾何空間[14－15]。本文以電池模塊作為研究對象，設計模塊內部電池均衡電路與模塊間均衡電路。

1 均衡電路總體設計

均衡電路的主要性能包括均衡的有效性分析、均衡能量損失大小估算、均衡時間及均衡效率等幾個方面。合理的設計電路能有效提高串聯動力電池的一致性，對電池包的整體使用性能有比較大的提高[16]。以純電動汽車電池包為研究對象，將電池包劃分為若干個電池模塊，每個電池模塊含有六個單體電池，分別設計模塊內部均衡拓撲電路及模塊之間均衡拓撲電路。

如圖1所示，一塊BQ76PL536芯片與6塊單體電池構成一個電池模塊，各個電池模塊之間電池保持串聯，BQ76PL536芯片保持上下相互連接的方式，通過SPI通信方式傳遞信息。最底層模塊與主控芯片之間設計有隔離電路，用來防止強電危害。主控板通過串口通信將數據反饋到上位機進行顯示。設計的均衡控制系統具有以下特征:設計的系統采用主動均衡方式；以12塊磷酸鐵鋰電池作為研究對象，額定電壓為40 V；設計的均衡系統能在充電時間范圍以內完成對所有電池的均衡；控制策略可以對單體電池電壓或者電池荷電狀態進行均衡；電池組中部分單體發生異常情況，控制電路能對其進行保護，防止電池組進一步被破壞；所設計系統各個數據采集板能與主控板進行實時通信，保證均衡的及時性與有效性；模塊化設計，一個模塊發生故障不會對其他模塊造成影響。

圖1 均衡設計總體框圖

1.1 均衡電路拓撲結構

以6個單體電池為一個模塊，模塊內部采用BQ76PL536控制芯片采集各個單體電池的電壓及溫度信號。該芯片內部集成有均衡控制模塊，當電池電壓值達到所設定的閾值時，相應的芯片引腳輸出高電平，促發MOSFET開關，對應電池進入均衡狀態。當相應電池放電到電池極限閾值，會觸發另外一個MOSFET開關，將儲能元件上的能量轉移到對應電池上，實現模塊內部均衡控制。

結合對單體電池與電感儲能元件之間能量交換的分析，對電池模塊內部6塊電池之間均衡電路的拓撲結構原理如圖2所示。電池以串聯的方式連接在模塊內部，在電池兩側對稱分布數字開關(M1，M2，…，M14)，這些開關的控制信號來自數據采集及均衡控制芯片BQ76PL536，由其引腳輸出相應的控制信號。

圖2 電池模塊內部均衡原理

圖2中，假設電池B2處于過充電狀態，B5為6個電池中電壓值最小的電池。BQ76PL536按照設定的時間間隔巡檢內部6塊電池，一旦檢測到B2電池電壓超過系統設定的門限電壓，則觸發M2和M10導通，依據此時電池電壓與電池平均值之間差值的大小程度，控制M2和M10導通設定的時間，電池B2給電感元件L充電。電池B5電壓在模塊內部電壓值最小，需要得到過充電池能量，從而使自身加快充電速度。由模塊內部均衡控制芯片觸發充電MOSFET開關，對B5充電時，M6和M12導通，電池B5與電感構成通路，此時電感內部含有B2的能量，在與B5連接時可以將這部分能量轉移到B5中，實現模塊內部電池的均衡。

本文選用的電池為標稱電壓3.2 V的磷酸鐵鋰電池、其標稱容量為25 A·h。設計均衡電流的最大值為0.04 C，即1 A，所以均衡電路中電感的峰值電流為1 A。為了能量的充分轉移，均衡電路將工作在電流不定期關斷與打開模式，所以在均衡電流流經電感之前，其內部是沒有電流通過的，即零能量。根據最大均衡電流VB和電感上的電流iL變化公式:

得到電感上流過的最大電流為:

式中，D為MOSFET占空比的大小；T為開關周期。由于MOSFET是全開或者全關模式，所以占空比為1，假設工作頻率為10 kHz，可以得到電感值大小為320μH。考慮到實際應用中電感的損耗、PCB板的布置、價格等因素，選擇的電感元件體積應盡量小，選用大小為470μH的CDH125電感元件其為貼片電感，能通過最大電流值為2~3 A，滿足設計需要。

1.2 模塊間均衡電路

對于模塊之間的均衡，由于其內部電壓范圍、狀態與單體電池存在很大差異，不能采用單體電池的電池模型進行分析，設計另外一種均衡控制電路實現不同電池模塊之間的均衡，如圖3所示。

圖3 模塊間均衡電路

在圖3中，每一個電池組模塊連接一個MOSFET開關、繞組原邊、由6個電池組成的電池模塊(對應內阻為RMX，電壓值大小為VMX)。變壓器T與電感元件LM連接在一起，轉換比率為N1∶N2＝1∶1。RMX表示電池模塊的內阻，Reqx表示寄生電阻，包括MOSFET開關電阻及跟蹤電阻，Leqx為寄生電感元件，包括變壓器T的漏感及跟蹤電感。

1)t0－t1期間:在t0時刻，由BQ76PL536測得各個模塊的電池電壓數值，分別求得各個模塊總電壓大小，及兩個模塊的平均電壓值。假設VM1>VM2，于是在開始時刻開啟模塊1的MOSFET開關S1，將Module 1的能量轉移到副邊電感中。此時，變壓器原邊的回路中，由電路原理可得:

式中，Ix為每個均衡子回路對應的均衡電流大小。通過副邊電感LM的電壓及電流可表示為:

2)t1－t2期間:在t1時刻，關閉兩個回路的MOSFET開關，副邊二極管開始傳導電感電流，電流由外接線路傳遞到兩個電池模塊，同時給兩個電池模塊充電。一段時間之后，副邊電感的電壓變為0 V，則關斷均衡電路。由于電池在充放電的過程中，電池內部發生了劇烈的化學反應，電池的溫度及電壓值處于不穩定狀態，于是此時關閉均衡電路，將電池模塊靜置30 min。

靜置過后，重新讀取BQ76PL536測得的電池電壓狀態，判定電池模塊電壓值大小，開啟新一輪模塊間均衡。上述電路中，寄生電阻及電感在均衡過程中起到了一定的作用。

2 均衡電路仿真

在均衡電路設計的基礎上，對設計的均衡拓撲電路進行Simulink模型仿真，驗證均衡拓撲電路的可行性。在可行性的基礎上，仿真模塊內部均衡電路的效率。

2.1 能量轉移方式仿真

為了驗證設計的470μH電感均衡方式是否能夠作為中間儲能元件在電池之間傳遞能量，在Simulink中搭建兩塊電池的均衡仿真模型。如圖4所示，將整個電池模型封裝成名叫Battery的子系統模塊，模塊有四個端口，電源正負極、電池電壓與SOC值。

圖4 兩電池之間能量轉移仿真

兩個電池之間均衡的算法為:利用模擬前端估算兩個單體電池的SOC狀態值，將兩個電池模型的SOC值相減，再求絕對值，所得到結果與常數0.005進行比較。如果大于0.005，則繼續對兩個電池進行均衡；如果小于0.005，則仿真結束。常數0.005為均衡仿真設定的兩個電池之間均衡的閾值，只要兩個電池SOC差異小于該值，則認為電池一致性良好，均衡結束。否則，兩個電池之間繼續進行能量的相互轉換。

模型中，Subsystem為兩個電池之間SOC比較函數。Subsystem的輸入端為兩個電池模型的SOC狀態值，將輸入信號進行大小比較，若SOC＿1大于SOC＿2，則輸出為Out1，反之輸出Out2。該設計用來觸發對應的MOSFET開關的通斷，從而決定對應電池是進行充電均衡還是放電均衡。Subsystem的內部原型如圖5所示。

圖5 Subsystem仿真原理

圖4中，設定其中一塊電池的電壓值為3.1 V，容量為80%，另外一塊電池電壓為2.7 V，容量為60%。選擇電感大小L＝470μH，MOSFET占空比D＝50%，開關頻率f＝4 kHz。該模型的仿真結果如圖6所示。

從仿真結果可以看出，在均衡開始階段，高電壓電池電壓跳變比較大，均衡電感被較大電壓反復充電，內部存儲容量達到滿載。隨著時間推移，兩個電池之間壓差逐漸減少，均衡電感所接收到的充電電壓減少，所以均衡曲線變窄。最后兩條曲線重合，表示兩個電池電壓差值在0.005以內，所搭建的電感均衡電路能夠實現不同電池之間電量的交換。

2.2 模塊均衡仿真

2.2.1 非均衡仿真

在Simulink中搭建6個電池充電模塊，設置各個電池的電壓值與SOC梯度分布。按照電池實際充電方式，首先對串聯電池組進行恒流充電，待電壓值達到3.6 V，再采用恒壓充電方式。同樣，放電過程中，串聯電池兩端接一個負載為20Ω的電阻，用Scope記錄電池電壓與SOC變化曲線。仿真結果如圖7、8所示。

圖7 電池模塊非均衡充電SOC仿真結果

圖8 電池模塊非均衡放電SOC仿真結果

在沒有加入均衡系統的情況下各個電池的SOC值隨充放電時間變化呈現出規律的線性關系。充電過程中，各個電池從設定的初始值增加到100%滿電量狀態的SOC曲線呈直線。放電過程中，各電池SOC從初始值呈直線下降到0，表明充放電過程中各個電池得到與釋放出來的能量是一致的，各個電池之間沒有能量轉換。但是，以上仿真是在理想狀態下進行的，實際使用時電池組存在不一致，SOC變化曲線并不會呈現良好的線性關系。

2.2.2 均衡系統仿真

在非均衡模型的基礎上，建立模塊內部均衡仿真模型，驗證模塊內部6個電池的均衡仿真效果。該仿真主要是驗證電池組在靜置狀態下電池之間電量的轉移情況。仿真中，具體參數設置值見表1。

表1 均衡仿真參數

依據表1中的設置參數，得到的仿真結果如圖9所示。

圖9 模塊內部均衡(SOC)仿真結果

不同初始狀態的鋰電池在均衡系統開啟之后，各個電池之間按照設定的算法，相互之間進行能量交換。荷電狀態高的單體電池電量降低，將能量轉移到荷電狀態低的電池內部。在第200 ks左右，SOC曲線開始向中間聚集，表現出較好的一致性。

與前面電池之間能量轉移相比較，兩個電池能量交換仿真用時25 ks，電池之間表現出良好的均衡效果。而6個電池之間均衡總用時達400 ks，時間遠大于兩電池均衡。原因是兩電池之間算法簡單，只需要在兩個數值之間比較大小，而6個電池之間均衡需要求取SOC最值所對應電池，再對該兩個電池進行均衡。反復運行，直到電池組各個電池的SOC值在設定的范圍以內。仿真結果表明，設計的均衡拓撲電路能夠實現電池模塊的均衡，電池之間在一定范圍內一致性良好。

3 結語

本文提出均衡設計的總體設計方案，綜合考慮電池組均衡電路的均衡效率與電池成組等因素，設計模塊內部電池均衡電路與模塊之間的電池均衡電路。在Simulink環境中搭建模塊內部均衡仿真模型以及電池之間能量轉移模型，仿真結果表明，所設計的均衡拓撲電路能夠實現電池模塊的均衡，電池之間在一定范圍內一致性良好。