一種磷酸鐵鋰動(dòng)力電池組主動(dòng)均衡充電系統(tǒng)

邱斌斌，劉和平，楊金林，胡 勇，郭 軍，余 陽

(1．重慶大學(xué)輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400044;

2．重慶永通信息工程實(shí)業(yè)有限公司，重慶400048;3．宜賓普什重機(jī)有限公司，四川 宜賓644000)

一種磷酸鐵鋰動(dòng)力電池組主動(dòng)均衡充電系統(tǒng)

邱斌斌1，劉和平1，楊金林2，胡 勇3，郭 軍1，余 陽1

(1．重慶大學(xué)輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400044;

2．重慶永通信息工程實(shí)業(yè)有限公司，重慶400048;3．宜賓普什重機(jī)有限公司，四川 宜賓644000)

研究了一種電動(dòng)汽車用磷酸鐵鋰動(dòng)力電池組分布式主動(dòng)均衡充電系統(tǒng)。該系統(tǒng)由單體電池管理模塊和整車控制器組成。各模塊之間通過CAN總線通信，單體電池管理模塊與整車控制器之間通過CAN-USB總線適配器進(jìn)行通信。電池組中各單體電池分別配備了單體電池管理模塊，單體電池管理模塊由單體電池檢測單元和單體電池均衡充電單元構(gòu)成，單體電池均衡充電單元采用反激變換器實(shí)現(xiàn)由電池組向單體電池荷電狀態(tài)低的電池進(jìn)行補(bǔ)充電，從而實(shí)現(xiàn)各單體電池荷電狀態(tài)的基本一致，延長電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程。最后對系統(tǒng)進(jìn)行了48V/140Ah磷酸鐵鋰電池組在靜置模式下的均衡實(shí)驗(yàn)。

分布式;主動(dòng)均衡;平均值比較法

1 引言

磷酸鐵鋰電池因其具有充放電電壓平臺變化小、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。單體電池額定電壓平臺為3.2V，使用過程中大多由多節(jié)單體電池串并聯(lián)而成組，以滿足儲存容量和電壓等級的需要［1-5］。

由于單體電池生產(chǎn)過程中的不一致性，在電池組串聯(lián)使用過程中隨著充放電次數(shù)的增加，單體電池間的容量不一致性會(huì)逐漸增大，從而導(dǎo)致動(dòng)力電池組性能下降和循環(huán)壽命縮短［1-7］。為此，動(dòng)力電池組需均衡充電，達(dá)到降低單體電池不一致性的影響，改善動(dòng)力電池組性能，延長電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程。

而目前國內(nèi)外均衡充電多數(shù)選擇電池端電壓作為均衡判據(jù)，所以存在均衡判據(jù)不穩(wěn)定的問題［8，9］。為此，本文研究了一種磷酸鐵鋰動(dòng)力電池組分布式主動(dòng)均衡充電系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用單體電池荷電狀態(tài)(State of Charge，SOC)作為均衡判據(jù)，由單體電池管理模塊和整車控制器組成。各單體電池管理模塊實(shí)時(shí)檢測單體電池的SOC，并將其通過CAN總線上傳給整車控制器，整車控制器將分析當(dāng)前電池組的不一致性，計(jì)算電池組平均 SOC，并將單體電池 SOC與電池組平均SOC進(jìn)行比較，待電池組平均SOC與單體電池SOC的差值大于閾值ε時(shí)，整車控制器將向該單體電池管理模塊發(fā)送均衡充電指令，單體電池管理模塊在接收到均衡充電指令后將控制單體電池均衡充電單元工作對該單體電池補(bǔ)充電量。由于單體均衡充電單元的輸入電量來自電池組，所以在給SOC低的單體電池補(bǔ)充電量的同時(shí)，就實(shí)現(xiàn)了電池組電量向單體電池的轉(zhuǎn)移，待各單體電池SOC趨于基本一致時(shí)，整個(gè)均衡充電過程結(jié)束。

該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對電池組在充電、放電和靜置模式下的均衡充電，通過對由16節(jié)單體串聯(lián)而成的48V/140Ah磷酸鐵鋰動(dòng)力電池組展開靜置模式下的系統(tǒng)均衡實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該系統(tǒng)對改善電池組不一致性是有效的。

2 主動(dòng)均衡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1是本文采用的磷酸鐵鋰動(dòng)力電池組主動(dòng)均衡系統(tǒng)的拓?fù)鋱D。本系統(tǒng)主要由單體電池管理模塊、單體電池均衡充電單元和整車控制器三部分組成。

圖1 主動(dòng)均衡系統(tǒng)拓?fù)鋱DFig．1 Topology of active equalization system

圖1中，整車控制器通過USB-CAN總線適配器與單體電池管理模塊的CAN總線相連接，實(shí)現(xiàn)了對單體電池管理模塊信息的發(fā)送和接收。

由n個(gè)單體電池管理模塊構(gòu)成電池組的管理系統(tǒng)。如圖2所示，為本系統(tǒng)中4節(jié)單體電池管理模塊與單體電池的連接圖。

圖2 單體電池管理模塊連接線圖Fig．2 Cable connection of single battery management model

圖2中，單體電池管理模塊之間采用CAN總線進(jìn)行通信和連接。單體電池管理模塊各自分別引出兩根線與單體電池相連接，對單體電池進(jìn)行管理，可隨時(shí)從單體電池上將單體電池管理模塊斷開。

3 單體電池檢測單元

如圖3所示，單體電池管理模塊由單體電池檢測單元和單體電池均衡充電單元兩部分組成。單體電池檢測單元包括智能芯片(ECU)、分壓電路、電流傳感器、濾波電路、電池電壓采樣、電流采樣以及溫度采樣;單體電池均衡充電單元包括 DC/DC電路、光電耦合隔離電路和CAN總線通信電路。

圖3中，ECU為Freescale公司的MC9S08DZ16芯片。該芯片具有輸入寬電壓范圍、內(nèi)部電壓基準(zhǔn)、多路模數(shù)轉(zhuǎn)換通道、CAN通信模塊、低功耗等特點(diǎn)。輸入寬電壓范圍的特點(diǎn)使得芯片可以直接采用由單體電池供電，而不需加入穩(wěn)壓電路對芯片進(jìn)行供電。

圖3 單體電池管理和單體電池均衡模塊圖Fig．3 Single battery management model and single battery equalization model structure

其工作原理:單體電池電壓經(jīng)電阻分壓電路分壓后，經(jīng)濾波電路處理輸入電池管理芯片進(jìn)行檢測。

單體電池溫度采用熱敏電阻構(gòu)成的電阻分壓電路進(jìn)行分壓后，經(jīng)由濾波電路的處理再輸入電池管理芯片的模數(shù)轉(zhuǎn)換通道進(jìn)行檢測。串聯(lián)電池組中流經(jīng)單體電池的電流信號首先經(jīng)電流傳感器轉(zhuǎn)換為電壓信號后，再經(jīng)濾波電路的處理輸入到檢測芯片進(jìn)行檢測。單體電池管理系統(tǒng)根據(jù)檢測到單體電池電壓、溫度和電流參數(shù)，采用自適應(yīng)卡爾曼濾波算法實(shí)時(shí)估算單節(jié)電池的荷電狀態(tài)。

由于電池在長時(shí)間擱置不使用時(shí)檢測電路依舊在工作，單體電池通過分壓電阻不斷在放電，為此本文對電池電壓和溫度的檢測過程中，加入了低功耗電路設(shè)計(jì)。如圖4所示，為電池電壓采樣電路。

圖4 電池電壓采樣電路Fig．4 Battery voltage sampling circuit

圖4中，為了降低采樣電阻 R7和 R8的能量損耗，在不需要采樣的時(shí)候，將PT-V即PTA0口置低。此時(shí)，電阻R7和R8兩端的電壓為0V，無電量損耗。為了減小這些損耗，每次 A/D采樣時(shí)，都要設(shè)置PTA0口，當(dāng)采樣完成時(shí)，將 PT-V置低。通過該方式可有效地減小分壓電阻的能量損耗?；谕瑯拥脑O(shè)計(jì)思想，在溫度采樣中也加入了低功耗電路設(shè)計(jì)。

4 單體電池均衡充電單元

在圖3中，單體電池ECU接收到整車控制器的充電使能信號，將經(jīng)光電耦合隔離電路給單體電池均衡充電單元驅(qū)動(dòng)電路發(fā)送開啟均衡充電信號。光電耦合隔離電路如圖5所示，

圖5 光電耦合隔離電路Fig．5 Optical-coupler isolation circuit

由于單節(jié)均衡充電單元和單節(jié)電池檢測單元不共地，所以必須電氣隔離，圖5中采用光電耦合芯片PC817，實(shí)現(xiàn)高壓與低壓的電隔離。圖5中的 ONOFF引腳接單體電池均衡充電單元主電路中的DPA424芯片的X引腳。單體電池均衡充電單元主電路如圖6所示，DC/DC變換器的輸入為電池組總電壓，輸出接到單體電池的兩極。

圖6 反激變換器電路圖Fig．6 Circuit of flyback converter

圖6中，變換器是由 DPA424芯片來進(jìn)行斬波控制的。DPA424芯片內(nèi)嵌一個(gè)MOSFET，該MOSFET的占空比由變壓器偏執(zhí)繞組通過控制端 C控制。當(dāng)DPA424開通后，MOSFET的占空比由0開始遞增到75%，然后開始減小，直至穩(wěn)定。圖6中當(dāng)輸入端電壓增加時(shí)，繞組輸出電壓和偏執(zhí)繞組電壓也都增大，此時(shí)由于R1電阻值不變，所以流過 R1的電流增加，而MOSFET的占空比與流入控制端C的電流成反比，此時(shí)MOSFET的占空比減小，繞組輸出電壓和偏執(zhí)繞組電壓也都減小，這樣電路就形成一個(gè)負(fù)反饋，從而實(shí)現(xiàn)一個(gè)穩(wěn)定的補(bǔ)充充電電壓。

如單體電池均衡充電單元軟件設(shè)計(jì)采用 C語言編程，如圖3所示，單體電池均衡充電單元 ECU通過CAN總線與整車控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，整車控制器接收到各單體電池SOC值后，將對電池組求出其荷電狀態(tài)平均值。電池組荷電狀態(tài)平均值有:

式中，SOCi為第 i節(jié)單體電池荷電狀態(tài)。在求出電池組平均荷電狀態(tài)值之后，整車控制器將把各單體電池荷電狀態(tài)SOCi與電池組平均荷電狀態(tài)進(jìn)行比較:

式(2)中，ΔSOC為電池組荷電狀態(tài)平均值與各單體電池荷電狀態(tài)的差值。設(shè)定閾值ε，當(dāng)ΔSOC＞ε時(shí)，整車控制器將向單體電池均衡充電單元發(fā)出充電指令和當(dāng)前的ΔSOC。單體電池的ECU將開通光電耦合隔離電路，從而單體電池均衡充電單元對該單體電池補(bǔ)充電量。

單體電池均衡充電單元軟件設(shè)計(jì)采用 C語言進(jìn)行編程，流程圖如圖7所示。

圖7 均衡充電單元流程圖Fig．7 Control structure of equalization charging

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文使用48V/140Ah磷酸鐵鋰動(dòng)力電池組展開了在電池組處于靜置模式下的均衡充電實(shí)驗(yàn)。依據(jù)SAE J1939標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，在CAN2.0B協(xié)議基礎(chǔ)上創(chuàng)建了通信協(xié)議:①通信采用29位標(biāo)識符的擴(kuò)展幀;②通信波特率設(shè)置為 250kb/s。動(dòng)力電池組由16節(jié)單體電池串聯(lián)而成，首先對16節(jié)單體電池在滿充電后進(jìn)行了帶電子負(fù)載下恒電流放電試驗(yàn)，對1～3號電池SOC分別放電到0.77、0.78、0.79，對4～16號電池SOC放電到0.9。閾值 ε設(shè)定為1%，靜置模式下系統(tǒng)均衡實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

圖8 電池組SOC均衡變化圖Fig．8 Equalization variation of battery SOC

如圖8所示，經(jīng)過5h左右的時(shí)間單體電池均衡充電單元將1號和3號的SOC值補(bǔ)充到0.86，2號電池的SOC值補(bǔ)充到0.85。由于4號 ～6號電池一直處于放電狀態(tài)，電池的 SOC值由 0.9變?yōu)?.85。電池組SOC差異控制在閾值ε范圍之內(nèi)。

6 結(jié)論

本文研究了一種可用于磷酸鐵鋰動(dòng)力電池組的分布式主動(dòng)均衡充電系統(tǒng)。該系統(tǒng)將單體電池SOC作為均衡判據(jù)，采用平均值比較法控制策略對電池組進(jìn)行SOC均衡實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明了該系統(tǒng)有效地改善了電池組SOC一致性。但其缺點(diǎn)是由于均衡時(shí)間較長、單體電池均衡充電單元輸出電流單一使得均衡系統(tǒng)效率不高;同時(shí)本文使用的是由電池組作為均衡輸入電源，該方法存在從內(nèi)部能量高的單體電池獲取電能，因此風(fēng)險(xiǎn)較大。為此，論文在后期正展開模糊控制主動(dòng)均衡充電算法研究，均衡電源部分為外加電源。

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Active equalization charging system of lithium iron phosphate dynamic battery pack

QIU Bin-bin1，LIU He-ping1，YANG Jin-lin2，HU Yong3，GUO Jun1，YU Yang1
(1．State Key Laboratory of Power Transmission Equipment＆System Security and New Technology，Chongqing University，Chongqing 400044，China;2．Chongqing Leopard Power Battery Co．Ltd．，Chongqing 400048，China;3．Yibin Pus Heavy Machinery Limited Company，Yibin 644000，China)

A novel distributed active equalization charging system was investigated，which was applied to the electric vehicles using lithium iron phosphate dynamic battery．It consists of single battery management module and vehicle controller unit．Controller area network(CAN)bus is applied to each module．CAN-USB bus adapter is applied to the communication between the management subsystem and the vehicle controller unit．Equalization charge submodule and battery management submodule is provided to each single battery．Flyback converter is used to the single battery to realize supplement charge from battery pack to the single battery that is in low state of charge．It not only can achieve eliminating state of charge inconsistent between each single battery but also can extend driving range of electric vehicle．At last，the 48V/140Ah lithium iron phosphate battery pack system equilibrium test is carried out based on static mode．

distributed;active equalization;statistical method

TM912.1

:A

:1003-3076(2014)01-0071-05

2012-06-07

重慶市科技攻關(guān)計(jì)劃資助項(xiàng)目(CSTC，2010AB6110)

邱斌斌 (1987-)，男，江西籍，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動(dòng)、電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng);劉和平 (1957-)，男，重慶籍，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事電力傳動(dòng)及其控制技術(shù)、汽車電子研究等。