一種基于變壓器的電動汽車電池主動均衡方案設計

引言

新能源汽車體系內，無論是混合動力（HEV）還是電動汽車（EV）離不開作為儲能介質的動力電池，目前鋰離子電池已經占據了汽車動力電池的主導地位，為了實現更長的續(xù)航里程，通常需要多節(jié)電池串/并聯組成電池組使用，考慮到汽車對能量、功率和環(huán)境的要求，安全、可靠地使用大型鋰離子電池組絕對不是一個簡單的任務。因此需要采用適當的電池管理系統(tǒng)，才能充分利用新型鋰電池的優(yōu)勢。

1.1主動均衡技術在電動汽車電池管理中的必要性

1.1.1電動汽車電池組系統(tǒng)架構

鋰電池儲能能力強，但單個電池的電壓和電流都太低，不足以滿足混合動力電機的需要。為增加電流需將多個電池并聯起來，為獲得更高的電壓，則要把多個電池串聯起來。單個鋰電池的電壓一般介于3.3～3.6V之間。例如，將多達12 個電池串聯組成一個電池塊（block）輸出電壓介于30～45V 之間，而混合動力汽車驅動需要336V左右的直流電源電壓，因此通常需要8-10個電池塊（block）串聯起來使用，意味著電動汽車的電池組是數量眾多的的單體電池組成（100節(jié)以上）。

圖1.1.1：電動汽車電池組系統(tǒng)架構。

1.1.2 平衡的必要性

電池組中的單體電池，制造和使用條件的不同，特性是存在差異的。而這些差異，如果在充、放電過程中沒有得到應有的控制，將進一步加大，日積月累，可能會明顯地減低整個電池組的表現，導致部分電池發(fā)生過充、過放電現象，造成電池容量和壽命的急劇下降，降低車輛的續(xù)航里程甚至電池組的損壞，統(tǒng)計上表現為電池組中的單個電池單元容量的正態(tài)分布的均值左移，且峭度逐漸減小，如圖1.1.2 所示。在經過一段時間的使用后，將會有一小部分電池單元的有效容量接近于零，導致失效。因此，為了提高整個電池組的壽命，如何均衡這些老化較快的電池單元也是電池管理系統(tǒng)設計者需要考慮的一個重要課題。

圖1.1.2：長期使用后的電池單元容量的分布。

1.1.3 電池的工作電壓范圍

電池一旦電壓超出允許范圍，鋰電池很容易被損壞（見圖1.1.3）。如果超出電壓的上限和下限（例如，nanophosphate鋰電池的電壓上限和下限分別為3.6V和2V），電池就可能會受到不可逆的損壞，至少也會增加電池的自放電率。在相當寬的荷電狀態(tài)范圍內，輸出電壓可以保持穩(wěn)定，因此正常情況下超出安全范圍的可能性比較小。但是，在接近安全范圍上限和下限的區(qū)域，變化曲線非常陡峭。作為預防措施，仔細監(jiān)測電壓水平非常必要。

圖1.1.3：鋰電池(nanophosphate型)的放電特性。

當電池電壓接近臨界值時，必須立即停止放電或充電。平衡電路的功能就是調節(jié)相應電池的電壓，使其保持在安全區(qū)域。為了達到這個目的，當電池組中任一電池的電壓與其他電池不同時，就必須將能量在電池之間進行轉移。

1.2 采用基于變壓器主動均衡方案的優(yōu)勢

1.2.1 被動均衡法

在傳統(tǒng)被動均衡的電池管理系統(tǒng)中，每個電池單元都通過一個開關連接到一個負載電阻。這種被動電路可以對個別被選中的單元放電。該方法只適用于在充電模式下抑制最強電池單元的電壓攀升。被動均衡方式的優(yōu)點是電路結構簡單，成本較低。但是其缺點也很明顯，它只能做充電均衡。同時，在充電均衡過程中，多余的能量是作為熱量釋放掉的，使得整個系統(tǒng)的效率低、功耗高。有些場合為限制功耗，電路一般只允許以100mA左右的小電流放電，從而導致充電平衡耗時可高達幾小時。

圖1.2.1：被動均衡典型電路結構。

1.2.2 基于變壓器的主動平衡法：

相關資料中有很多種主動平衡法，均需要一個用于轉移能量的存儲元件。如果用電容來做存儲元件，將其與所有電池單元相連就需要龐大的開關陣列。

更有效的方法是將基于電感設計的主動平衡電路。關鍵元件是一個變壓器，其作用是實現能量在單體電池之間轉移，該電路是按照反激變壓器原理構造的。該變壓器兩側分別做了如下連接：

a. 初級線圈與整個電池組相連

b. 次級線圈與每個電池單元相連

該方案可以完整地實現在充電和放電時的實時均衡，發(fā)揮出每節(jié)電池的潛力。保證充電時每節(jié)電池都能夠充滿，放電時每節(jié)電池都能放至最低的極限，充放電過程中每節(jié)電池也能夠保持相同的電壓，使電池組的每個節(jié)電池的能力能得到最充分的發(fā)揮。

圖1.2.2：主動均衡典型電路結構。

1.2.3采用基于變壓器主動均衡方案的優(yōu)勢

1）可以實現底部均衡

相對被動平衡，不僅提供低頂部均衡，也可以實現底部均衡，當某節(jié)電池電壓過低時，通過接在電池組上的繞組可以把電池組的能量轉移到該節(jié)電池上，提高的系統(tǒng)能量的利用率

2）系統(tǒng)效率高損耗低

控制系統(tǒng)在在不進行充放電時，靜態(tài)電流小于2μA。充電或放電時系統(tǒng)均衡電路自動開啟，控制部分的總功耗小于1 W。均衡電流的有效值達到5 A 以上，峰值達到20 A。通過放電和充電過程中的實際均衡功率測試看，該方案轉移能量的利用效率都達到了85% 以上。其余15% 的能量，除了供給電路部分（單片機，電源芯片等）外，只有少部分是消耗在變壓器、MOSFET 和線路內阻中的。

圖1.2.3：幾種不同均衡方式的對比。

2 均衡方法

采用一個反激式變壓器作為核心，通過磁場與電場的轉換，實現能量在單個電池單元與整個電池組間雙向傳遞。當某節(jié)電池電壓過高時，可以通過并接在該電池上的繞組將多余的能量轉移到整個電池組上去，這個過程我們稱之為頂部均衡法。當某節(jié)電池電壓過低時，通過接在電池組上的繞組可以把電池組的能量轉移到該節(jié)電池上，這個過程我們稱之為底部均衡法。

圖2：反激式平衡電路原理及典型波形。

2.1 頂部均衡

如果某個電池單元的電壓高于其他單元，那么就需要將其中的能量導出，這在充電模式下尤其必要。如果不進行均衡，充電過程在第一塊電池單元充滿之后就不得不立即停止。均衡可以保持所有電池單元的電壓相等而避免發(fā)生過早停止充電的情況。圖2.1給出了頂部平衡模式下的能量流動情況。在電壓掃描之后，發(fā)現電池單元5 是整個電池組中電壓最高的單元。此時閉合開關sec5，電流從電池流向變壓器。在開關sec5 斷開后閉合主開關，此時，變壓器就從儲能模式進入了能量輸出模式。能量通過初級線圈送入整個電池組。

圖2.1：頂部均衡原理。

2.2 底部均衡

底部均衡法中的電流和時序條件與頂部均衡法非常類似，只是順序和電流的方向與頂部均衡法相反。掃描發(fā)現電池單元2 是最弱的單元，必須對其進行補充充電。此時閉合主開關“( prim”)，電池組開始對變壓器充電。主開關斷開后，變壓器存儲的能量就可以轉移至選定的電池單元。相應的次級“( sec”)開關在本例中是開關sec2 閉合后，就開始能量轉移。尤其是當某個電池單元的電壓已經達到SoC 的下限時，底部平衡法能夠幫助延長整個電池組的工作時間。只要電池組提供的電流低于平均平衡電流就能持續(xù)放電，直到最后一塊電池單元也被耗盡。

圖2.2：頂部均衡原理。

2. 3 電池組間均衡法

如圖2.3所示，閉合其中一個電池組的電子開關SP1 和SP2，就可以對最左邊的繞組的初級進行充電，之后關閉SP1和SP2，就可以把能量放入總電池組中。這樣就可以實現更多電池單體的串聯。

圖2.3：組間平衡。

2.4 電壓檢測

為了對每個電池的荷電狀態(tài)進行管理，每個電池的電壓都要加以測量。由于只有1號電池處于微控制器模數轉換范圍內，因此不能直接測量電池塊中其他電池的電壓。一種可能的方案是采用差分放大器陣列，但這需要保持整個電池塊的電壓水平。

下面提出一種只需添加少量硬件就可以檢測所有電池電壓的方法。變壓器的主要作用是電荷平衡，但同時我們也可將它作為多路復用器使用。在電壓檢測模式下，變壓器的反激模式沒有被使用。當S1至SN開關中的某一個閉合時，所接通的電池的電壓被傳輸至變壓器的所有繞組。經過一個分立濾波器簡單的預處理，檢測信號被輸入至微控制器ADC輸入管腳。S1至SN中的任一開關閉合時所產生的檢測脈沖的持續(xù)時間非常短暫，實際的導通時間可能只有4μs，因此變壓器中存儲的能量并不多。當該開關斷開后，磁場中存儲的能量將通過主晶體管饋回整個電池塊，因此電池塊的能量不受影響。對全部電池掃描一遍后，一個掃描周期結束，系統(tǒng)回到初始狀態(tài)。也就讀取了電池組中每一節(jié)電池的電壓信號。

3 設計方案

3.1 硬件部分

電池管理系統(tǒng)采用獨立的內部CAN總線進行數據和指令傳輸，每個內部CAN總線子節(jié)點電路和最大12節(jié)串聯電池單元相連，組成電池包。各個電池包串聯組成電動汽車所需的電池總成。主節(jié)點采用汽車級16位單片機XC2267連接內部CAN網絡，同時接入電動汽車上的公共CAN網絡，收發(fā)相關的指令和數據。見圖3.1.1

圖3.1.1：電池管理系統(tǒng)框圖。

每個子節(jié)點可對所在電池包的12節(jié)電池進行SOC監(jiān)測并執(zhí)行電池均衡功能。見圖3.1.2

圖3.1.2：子節(jié)點電路示意圖。

子節(jié)點變壓器采用1個原邊線圈12個副邊線圈的設計方案。原邊線圈串聯汽車級MOSFET（即Sp1）連接至電池包的正負極。每個副邊線圈串聯汽車級MOSFET（即S1，S2—Sn）連接至每個電池單元的正負極。這樣組成一個反激模式的雙向電源來進行能量轉移。

控制原邊線圈的MOSFET（即Sp1）采用IPD70N10S3L，耐壓100V、Rdson為11.5m? ，可工作在12節(jié)電池串聯產生的30~60V電壓狀態(tài)下，滿足多種鋰電池如磷酸鐵鋰、錳酸鋰、三元材料電池等應用需求。對于電壓平臺較低的磷酸鐵鋰電池或者節(jié)數較少時，也可采用耐壓稍低但Rdson較小的MOSFET來提高系統(tǒng)效率。如耐壓75V、Rdson達到6.5 m? 的IPB100N08S2。

控制副邊線圈的MOSFET（即S1，S2—Sn）采用IPG20N04S4L，耐壓40V、Rdson為7.6 m?，可滿足控制單節(jié)電池能量轉移的需求。IPG20N04S4L的另一個好處是它在很小的封裝里集成了兩只獨立的MOSFET，為電路板布局節(jié)省了較多空間。為了進一步提高效率還可選用更小Rdson的產品，如IPD90N03S4L、IPB180N03S4L等。

3.2 軟件部分

控制上述MOSFET工作的是汽車級8位單片機XC886CM，該單片機具有8通道10位AD，可以方便的采集各個電池單元的電壓數據和溫度數據。QFP-48的封裝使它有足夠的IO完成多達13個MOSFET的控制工作。CAN、SPI、UART等豐富的通信接口使子節(jié)點具有CAN總線通信功能之外，能夠實現和PC的通信，以方便試驗階段的控制和演示。硬件乘除單元MDU可進行16位數據的乘除，實現快速運算。

子節(jié)點軟件負責圖3.2.1所示的功能實現，執(zhí)行狀態(tài)機。

圖3.2.1：子節(jié)點軟件功能。

4 實驗數據

實驗采用12節(jié)超級電容（U0~U11）作為均衡對象。被試電容初始電壓最高2.131V伏（U6），最低1.767V（U7）。經過130秒左右的主動均衡，所有12節(jié)的超級電容的電壓趨于集中，停止主動均衡操作。被試電容初始電壓最高1.962V伏（U11），最低1.939V（U2）。

圖4.1：超級電容主動均衡和被動均衡測試。

采用被動均衡時，用于電容容量和電容電壓成正比，采用固定電阻進行被動均衡時，電壓曲線接近斜率固定的直線，圖中虛線為模擬被動均衡時的電壓曲線。經18分鐘的被動均衡后，超級電容電壓趨于一致達到1.76V。

5 系統(tǒng)的平衡性和改進

變壓器體積與均衡速度的平衡：為了達到較快的均衡效果，即較大的均衡電流，本實驗采用了較大體積的變壓器。在追求更緊湊的系統(tǒng)設計中，可采用體積較小的變壓器。但是減小體積的同時，降低了每次均衡所傳遞的能量，減慢了均衡速度。對于某些電池容量較小的微混、中混汽車可降低均衡速度以獲得更小的變壓器體積。

變壓器體積與系統(tǒng)效率的平衡：如果提高主動均衡時的開關頻率，同樣可以采用更小體積的變壓器。帶來的問題是MOSFET的開關功耗與開關頻率成正比，系統(tǒng)功耗因開關頻率提高而升高，導致系統(tǒng)功率降低。在純電動汽車系統(tǒng)里電池容量較高，可通過犧牲一些開關損耗來減小變壓器體積，達到系統(tǒng)更加緊湊的目的。

通信系統(tǒng)的改進：由于每10~12個串聯電池為一個子節(jié)點，整套電池管理系統(tǒng)的內部CAN總線多達10~20個節(jié)點，每個節(jié)點的參考地電平不同，需要采用隔離CAN總線方案才能通信，產品成本較高。如果根據具體應用，開發(fā)專用的串聯總線方案，將大大降低整體成本。

電池電壓檢測的改進：本設計采用10位ADC加軟件校正的方式采樣電壓，精度可達5mV。但是對于如磷酸鐵鋰等電壓平臺非常平坦的系統(tǒng)，電壓檢測精度需進一步提高。如果采用12~13位的ADC和更加完善的軟件校正方案，電壓精度可達2mV甚至1mV。這樣就可以滿足各種鋰離子電池的應用需要。

6 結束語

采用變壓器的主動均衡方案不僅能夠克服以往方案的各種缺點，更好的實現了能量的平衡和分配功能；大大降低了均衡功耗，有助于降低系統(tǒng)散熱要求及增加車輛的續(xù)航里程，較大的均衡電流，降低了均衡時間，這對使用大容量電池的電動汽車具有實用意義。節(jié)能環(huán)保是中國乃至全世界當今的努力目標和技術發(fā)展方向，無論是混合動力（HEV）還是電動汽車（EV）離不開作為儲能介質的動力電池，電池技術的發(fā)展水平成為了目前新能源車普及最大的瓶頸之一。選擇適合的電池管理方案，能大大提高電池的使用壽命及發(fā)揮最大的電池容量，充分發(fā)揮新型鋰離子電池所具備的優(yōu)勢和巨大的市場潛力。