0 引言

    現(xiàn)階段新能源電動(dòng)車的驅(qū)動(dòng)能量主要來(lái)自動(dòng)力電池，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車行駛需要較高能量，故動(dòng)力電池通常由大量單體電池串并聯(lián)而成。而由于制造工藝、存放時(shí)間以及工作溫度等因素的影響，大量單體電池在串并聯(lián)的情況下使用，會(huì)日趨不一致^[1]。電池不一致性如果不加以控制，在電池充放電過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)個(gè)別電池過(guò)充放現(xiàn)象，使電池發(fā)生不可逆損壞，降低電池可重復(fù)使用的次數(shù)^[2]。并且由于電池的“木桶效應(yīng)”，不一致性還會(huì)降低電池的實(shí)際可用容量，使電動(dòng)車的行駛里程減小^[3]。改善電池間不一致性，可延長(zhǎng)電池的使用壽命，提高實(shí)際可用容量，因此對(duì)電動(dòng)車的電池組進(jìn)行能量一致性管理，顯得尤為重要。

    電池組能量均衡管理的方法，按是否損耗能量可分為耗散型均衡(即被動(dòng)均衡)和非耗散型均衡(即主動(dòng)均衡)^[4]。被動(dòng)均衡主要指通過(guò)電阻放電，以熱量形式直接消耗掉較高電壓電池的能量。被動(dòng)均衡法雖能以低成本保證電池的一致性，但該均衡法會(huì)使電池能量損耗，降低電池的利用率。因此為解決被動(dòng)均衡缺點(diǎn)引起的問(wèn)題，能量轉(zhuǎn)移型的主動(dòng)均衡方式被大力倡導(dǎo)。目前，研究人員提出了多種主動(dòng)均衡方案^[5]，電池電量通過(guò)電容、電感、變壓器^[6]、儲(chǔ)能電池^[7]、升-降壓型DC/DC變換器^[8-9]等媒介進(jìn)行能量轉(zhuǎn)移，達(dá)到電池能量均衡的目的。雖然主動(dòng)均衡通過(guò)轉(zhuǎn)移能量進(jìn)行均衡，避免了能量的損耗和散熱問(wèn)題，但電路較為復(fù)雜，影響因素較多，成本較高^[10]。

    因被動(dòng)均衡會(huì)產(chǎn)生電池能量損耗，若在行車過(guò)程中使用該方法均衡，則得不償失，加快電池能量流失，降低電池的利用率。若所有單體電池均用主動(dòng)均衡電路，不僅電路更為復(fù)雜，成本較高，且當(dāng)電池單體間能量差距較小時(shí)，均衡能量較難控制：若均衡條件設(shè)置過(guò)低，容易造成雙向反復(fù)均衡；若均衡條件設(shè)置過(guò)高，則無(wú)法達(dá)到預(yù)期的均衡效果。

    為研究實(shí)驗(yàn)出更適用于實(shí)際的均衡方式，本文基于電池串聯(lián)的電動(dòng)自行車電池包，提出了一種電池單體用被動(dòng)均衡，電池組間用主動(dòng)均衡方式的均衡方式。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該均衡方式的可行性，且均衡后的電池包還能用于電動(dòng)自行車。

1 電池單體及組間主被動(dòng)均衡設(shè)計(jì)

    因被動(dòng)均衡成本低，主動(dòng)均衡轉(zhuǎn)移能量^[11]，本方案結(jié)合主、被動(dòng)均衡方式的優(yōu)點(diǎn)，將被動(dòng)均衡用于電池充電狀態(tài)時(shí)的電池單體均衡，主動(dòng)均衡用于電池靜置和放電或充電狀態(tài)時(shí)的電池組間均衡。該均衡策略結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，策略主要由被動(dòng)均衡模塊和主動(dòng)均衡模塊組成，其中主動(dòng)均衡模塊包括電壓采集、微控制器處理及均衡控制模塊。

    以電池的一個(gè)充放電循環(huán)均衡為例，在電池靜置或放電過(guò)程中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各組電池總電壓，計(jì)算單體電池的平均電壓。當(dāng)組間平均電壓極差大于所設(shè)定的啟動(dòng)均衡值時(shí)，微控制器控制產(chǎn)生一個(gè)控制脈寬調(diào)制(PWM)信號(hào)，驅(qū)使場(chǎng)效應(yīng)管通斷。通過(guò)設(shè)置PWM波的周期或占空比來(lái)控制主動(dòng)均衡轉(zhuǎn)移的能量。當(dāng)均衡到電壓極差降到所設(shè)均衡終止極差值時(shí)，關(guān)閉PWM波。此時(shí)已能確保各電池組電壓值較為一致，若仍存在輕微不一致，不影響使用，可在電池充電過(guò)程中，利用被動(dòng)均衡，進(jìn)一步均衡電池。

2 被動(dòng)均衡模塊

    本文所提被動(dòng)均衡模塊包括單體電池保護(hù)及被動(dòng)均衡電路，采用HY2113和HY2213系列芯片。由于單體電池保護(hù)及被動(dòng)均衡電路重復(fù)性較強(qiáng)，本文只截取兩節(jié)鋰離子電池的保護(hù)及均衡電路，其電路如圖2所示。若需增加電池，只需在此基礎(chǔ)上增加相同電路即可。

    HY2113系列IC可用于鋰離子電池的過(guò)充電、過(guò)放電保護(hù)。充電過(guò)程中，當(dāng)單體電池電壓超過(guò)過(guò)充電檢測(cè)電壓(V_CU)，并且持續(xù)時(shí)間超過(guò)過(guò)充電檢測(cè)延遲時(shí)間(T_OC)時(shí)，HY2113系列IC關(guān)斷用于充電控制的OC端子的三極管，停止充電。放電過(guò)程中，當(dāng)單體電池電壓降低到過(guò)放電檢測(cè)電壓(V_DL)，并且持續(xù)時(shí)間超過(guò)過(guò)放電檢測(cè)延遲時(shí)間(T_OD)時(shí)，HY2113系列IC關(guān)斷用于放電控制的OD端子的三極管，停止放電。

    HY2213系列IC內(nèi)置高精度電壓檢測(cè)電路和延遲電路，適用多節(jié)電池組的單節(jié)鋰離子電池充電平衡控制。充電過(guò)程中，當(dāng)單節(jié)電池電壓超過(guò)所設(shè)均衡檢測(cè)電壓(小于充電檢測(cè)電壓V_CU)，并且持續(xù)時(shí)間超過(guò)延遲時(shí)間時(shí)，芯片驅(qū)動(dòng)OUT端子的MOSFET導(dǎo)通，通過(guò)所接電阻形成放電回路，進(jìn)行放電均衡。

3 主動(dòng)均衡模塊

    電動(dòng)車在行駛過(guò)程中使用被動(dòng)均衡，會(huì)造成電池不必要的能量損耗，其可使用能量減少。因此，被動(dòng)均衡僅用于單體電池充電過(guò)程，對(duì)放電或靜置過(guò)程中的電壓不一致情況，本設(shè)計(jì)對(duì)電池組組間不均衡采用主動(dòng)均衡方式。

3.1 主動(dòng)均衡硬件電路

    本文設(shè)計(jì)的主動(dòng)均衡是依據(jù)電池電壓進(jìn)行的，電池組電壓的采樣精度決定了電池的均衡效果，因此對(duì)電池組電壓的監(jiān)測(cè)精度要求較高。為得到較精確的電池電壓，本文不使用主控芯片所帶的模數(shù)端口，而是利用TM7705芯片進(jìn)行電池組電壓監(jiān)測(cè)采樣^[12]，如圖3所示。TM7705低成本，低功耗，且采用Σ-Δ結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換，在噪音環(huán)境下能免受干擾，因此較適合用于工作環(huán)境較為惡劣的電動(dòng)車。

    主動(dòng)均衡控制電路如圖4所示，可通過(guò)微控制器控制進(jìn)行雙向均衡。微控制器將采集到的電池組電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算出各電池組電壓平均電壓。判斷電池組平均電壓間的電壓極差，當(dāng)電壓極差大于啟動(dòng)均衡壓差值時(shí)，啟動(dòng)主動(dòng)均衡電路。均衡電路Buck-Boost電路的工作原理^[13]：控制PWM脈沖寬度調(diào)制信號(hào)的周期和占空比，進(jìn)而控制AO3460場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通時(shí)間變化。當(dāng)PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)AO3460導(dǎo)通時(shí)，電感電流上升；當(dāng)PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)AO3460截止時(shí)，電感電流不能突變，經(jīng)流D3或D4，形成回路，使電壓高的電池組的電量均衡到電壓低的電池組。因電池組內(nèi)電池串聯(lián)，故均衡時(shí)，電量同時(shí)均衡到各個(gè)電池。當(dāng)均衡到電池組間平均電壓的極差小于停止均衡壓差值時(shí)，停止均衡。

3.2 主動(dòng)均衡軟件控制流程

    本文所提均衡策略采用STM8S003F3P6芯片，使用C語(yǔ)言編寫，在IAR Embedded Workbench IDE開(kāi)發(fā)環(huán)境中進(jìn)行，包括電壓采集模塊、均衡控制模塊及均衡狀態(tài)顯示。軟件控制流程如圖5所示，先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，通過(guò)SPI通信方式控制TM7705進(jìn)行電池組的電壓采集，處理TM7705返回的各個(gè)電池組的總電壓信息，計(jì)算各電壓組的平均值當(dāng)差大于設(shè)置的啟動(dòng)均衡電壓差時(shí)，啟動(dòng)均衡電路；當(dāng)差小于所設(shè)截止均衡電壓差時(shí)，停止均衡。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及結(jié)果分析

    本文所提供的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證基于電動(dòng)自行車的電池包，該電池包由10節(jié)18650型號(hào)三元鋰離子動(dòng)力電池串聯(lián)組成。該型號(hào)電池額定電壓為3.65 V，充電終止電壓為4.2 V。本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)在該電池包基礎(chǔ)上增加被動(dòng)均衡及主動(dòng)均衡電路，使其不僅提供電動(dòng)自行車行駛能量，且可用于當(dāng)汽車12 V蓄電池沒(méi)電時(shí)，給蓄電池搭電。即使搭電會(huì)造成電池電壓不均衡，也可利用本文所設(shè)計(jì)的被動(dòng)均衡和主動(dòng)均衡電路，將不均衡的電池單體和電池組均衡到趨于一致。

4.1 被動(dòng)均衡電路驗(yàn)證及結(jié)果分析

    HY2213-BB3A芯片過(guò)充電檢測(cè)電壓可為4.200±0.025 V，過(guò)充電均衡截止電壓可為4.190±0.035 V。選用此芯片監(jiān)測(cè)電池的電壓，當(dāng)某節(jié)電池在充電過(guò)程中，電壓超過(guò)充電檢測(cè)電壓，且該充電狀態(tài)持續(xù)時(shí)間大于250 ms時(shí)，芯片OUT端子會(huì)產(chǎn)生由低到高的電平變化，來(lái)打開(kāi)AO3400場(chǎng)效晶體管，使該較高電壓的電池放電回路導(dǎo)通，達(dá)到均衡效果。被動(dòng)均衡電路用62 Ω電阻放電，其功率約為0.3 W，均衡電流約為68 mA。表1為被動(dòng)均衡電路的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)。

    將電池從負(fù)極向正極依次從1～10升序編號(hào)，初始電池電壓極差0.014 V，共同充放電后，人為給第9節(jié)放電，其電池電壓3.775 V，其余電池電壓均在3.9 V～3.919 V之間，電壓極差為0.144 V。經(jīng)過(guò)充放電循環(huán)，電池包中各個(gè)單體電池電壓基本一致，且壓差已恢復(fù)到0.014 V。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該電池被動(dòng)均衡電路可實(shí)現(xiàn)電池單體的均衡。

4.2 主被動(dòng)均衡策略驗(yàn)證及結(jié)果分析

    將電池包的10節(jié)電池分為兩組：一組為編號(hào)7～10節(jié)電池；另一組為1～6節(jié)電池。在汽車12 V蓄電池沒(méi)電時(shí)，可將7～10節(jié)電池用作汽車的搭電寶，并模擬了電池組的不均衡狀態(tài)。通過(guò)提供100 kHz、33%占空比的PWM方波，控制主動(dòng)均衡電路均衡兩組電池的電壓，均衡電流約為42 mA。被動(dòng)均衡與主動(dòng)均衡相結(jié)合，可使電池單體和電池組的電壓趨于一致。PWM均衡電路輸入脈沖信號(hào)，對(duì)比數(shù)據(jù)，觀察電池從不平衡到平衡的過(guò)程。表2為主被動(dòng)均衡策略實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

    初始電池最大壓差0.014 V，人為給第3、7節(jié)放電，使第3、7節(jié)電池電壓在3.96 V左右，其余電池電壓在4.13 V左右，電壓極差為0.177 V。給電池充電，除3、7節(jié)電池外，其余電池均啟動(dòng)被動(dòng)均衡，均衡電流67 mA。從表2所記錄數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)其余電池接近滿電壓，但個(gè)別電池不均衡時(shí)，僅用被動(dòng)均衡進(jìn)行均衡，效果并不明顯，且均衡速度慢。因此主動(dòng)均衡介入是必要的。

    實(shí)驗(yàn)設(shè)置判斷啟動(dòng)主動(dòng)均衡的電壓極差為100 mV，停止主動(dòng)均衡電路判斷壓差設(shè)置為45 mV。用7～10節(jié)電池給汽車搭電，模擬電池組間不均衡，此時(shí)電池組間平均電池壓差為0.299 V。啟動(dòng)PWM波主動(dòng)均衡電路，給電池組均衡。重新設(shè)置主動(dòng)均衡的啟停條件，充電30 min后，再次啟動(dòng)PWM主動(dòng)均衡電路，使電池組間平均電池壓差為15 mV。再次利用被動(dòng)均衡電路給電池包充電，使電池包電池組間壓差降為10 mV。此時(shí)主被動(dòng)均衡策略已完成一個(gè)均衡循環(huán)。為了證明該主被動(dòng)均衡策略所均衡的電池電壓極差較小并非偶然，本文另外增加了一次完全放電和充電過(guò)程，給該電池包放電達(dá)到放電截止電壓，再給該電池包充電。該電池包中電池放完電時(shí)，電壓極差僅為22 mV；充滿電時(shí)，該電池包電壓極差僅為8 mV。結(jié)果表明，本文所設(shè)計(jì)的電池均衡策略切實(shí)可行，且均衡效果明顯。

5 結(jié)論

    本文針對(duì)動(dòng)力電池不均衡問(wèn)題，提出了一種新型的均衡策略。電池充電過(guò)程中，當(dāng)某節(jié)單體電池電壓高于所設(shè)置的充電檢測(cè)電壓時(shí)，啟動(dòng)該電池的電阻放電回路，該電池的充電電流減小，其他電池正常充電；電池靜置或放電情況下，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池組總電壓，計(jì)算各電池組中單體電池電壓的平均電壓，判斷各電池組平均電壓的極差，當(dāng)電壓極差大于所設(shè)置的均衡啟動(dòng)電壓時(shí)，啟動(dòng)均衡電路。對(duì)該策略方法基于電動(dòng)自行車的電池包進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，電池輕微的不均衡可用充電均衡給所有單體電池均衡，電池單體或電池組嚴(yán)重不均衡時(shí)，需先用主動(dòng)均衡方式進(jìn)行能量轉(zhuǎn)移，再用被動(dòng)均衡方式整體調(diào)整。實(shí)驗(yàn)證明了該均衡策略的可行性，且主被動(dòng)均衡后的電池電壓基本恢復(fù)，可正常使用。

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作者信息:

吳  宏，宋春偉，郭永洪

（中國(guó)計(jì)量大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，浙江 杭州310018）