0 引言

　　車載動(dòng)力鋰離子電池成組后，電池單體性能的不一致嚴(yán)重影響了電池組的使用效果，減少了電池組的使用壽命。造成單體電池間差異的因素主要有以下三方面：(1)電池制作工藝限制，即使同一批次的電池也會(huì)出現(xiàn)不一致；(2)電池組中單體電池的自放電率不一致；(3)電池組使用過程中，溫度、放電效率、保護(hù)電路對(duì)電池組的影響會(huì)導(dǎo)致差異的放大[1-4]。因此均衡系統(tǒng)是車載動(dòng)力鋰電池組管理系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。本文設(shè)計(jì)了一種車載動(dòng)力鋰電池組主動(dòng)均衡系統(tǒng)，通過能量雙向轉(zhuǎn)移的方式，在電池組充放電末期對(duì)電池組內(nèi)各單體電池進(jìn)行均衡處理，使電池組單體性能保持一致，避免單體過充過放，延長了電池組的使用壽命[5-8]。

1 主動(dòng)均衡系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

　　1.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　車載動(dòng)力鋰電池組主動(dòng)均衡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，N個(gè)單體串聯(lián)構(gòu)成鋰電池組模塊，通過電池管理系統(tǒng)（Battery Management System，BMS）從機(jī)采集鋰電池組模塊中各單體的電壓信息，由通信將各單體電壓信息傳遞于均衡主控模塊，通過均衡策略控制均衡模塊組對(duì)電池組內(nèi)各單體電池進(jìn)行均衡[9-12]。

　　主動(dòng)均衡系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要由兩部分組成：

　?。?）主動(dòng)均衡主控部分：均衡主控部分負(fù)責(zé)對(duì)各單體電壓信息的處理、均衡策略管理、與均衡模塊化部分通信和PWM控制信號(hào)產(chǎn)生及驅(qū)動(dòng)。

　?。?）主動(dòng)均衡模塊組部分：均衡模塊組由N個(gè)均衡模塊單元構(gòu)成，每個(gè)均衡模塊單元與其對(duì)應(yīng)的單體電池并接。均衡模塊單元由一個(gè)反激變壓器和兩個(gè)開關(guān)管構(gòu)成。

　　1.2 均衡主控芯片

　　均衡模塊單元控制芯片采用LTC3300，該芯片可實(shí)現(xiàn)多達(dá)6節(jié)串聯(lián)鋰電池的雙向同步反激式平衡、高達(dá)10 A的平衡電流、高達(dá)92%的電荷轉(zhuǎn)移效率、可堆迭式架構(gòu)可用于大于1 000 V的系統(tǒng)、高噪聲裕度串行通信、48引腳帶裸露襯墊QFN封裝和LQFP封裝。

　　1.3 均衡主電路

　　主動(dòng)均衡模塊組由N個(gè)均衡模塊單元構(gòu)成，本文設(shè)計(jì)的均衡系統(tǒng)模塊單元如圖2所示。均衡模塊單元包括一個(gè)反激變壓器和兩個(gè)開關(guān)管，每個(gè)均衡模塊單元反激變壓器的原邊繞組與對(duì)應(yīng)該單體電池的正負(fù)極連接，副邊繞組均連接到功率總線。開關(guān)管分別串接到原邊繞組的非同名端與副邊繞組的同名端。其中開關(guān)管為MOSFET開關(guān)管。

　　圖3為均衡模塊組電路。均衡主控模塊通過均衡策略控制各均衡單元MOSFET管的導(dǎo)通順序，從而實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)移型雙向型能量變換。能量從電壓較高單體通過變換直接傳遞到電壓較低單體。

　　例如：當(dāng)檢測到CELL1的單體電壓較高，CELL3電壓較低。此時(shí)開啟均衡功能，實(shí)現(xiàn)能量由CELL1轉(zhuǎn)移至CELL3。首先，S11導(dǎo)通，S12斷開，放電電流Id從CELL1正極經(jīng)T1原邊繞組流到CELL1負(fù)極，T1原邊繞組儲(chǔ)存能量；經(jīng)過設(shè)定時(shí)間t1之后，S11斷開，S12導(dǎo)通，儲(chǔ)存在T1原邊繞組的能力耦合至T1副邊；經(jīng)過設(shè)定時(shí)間t2后，S32導(dǎo)通，此時(shí)T1副邊繞組儲(chǔ)存的能量傳遞于T3副邊繞組；經(jīng)過設(shè)定時(shí)間t3后，S12斷開，S32斷開，S31導(dǎo)通，儲(chǔ)存在T3副邊繞組的能量耦合至T3原邊，給單體電壓較低的CELL3補(bǔ)電，如此實(shí)現(xiàn)能量從CELL1轉(zhuǎn)移到CELL3。

　　1.4 單體電池電壓測量

　　精確的單體電壓測量是整個(gè)電池管理系統(tǒng)的核心，為均衡功能的順利實(shí)現(xiàn)提供了基礎(chǔ)，同時(shí)為電池管理系統(tǒng)中SOC(State Of Charge)值的精確計(jì)算提供了保證。本文利用BMS從機(jī)模塊采集各單體電壓，由通信將單體電壓信息傳遞給均衡主控模塊。電壓采集芯片為LTC6802-2，該芯片是一款完整的電池監(jiān)視IC，它內(nèi)置一個(gè)12位ADC、一個(gè)精準(zhǔn)電壓基準(zhǔn)、一個(gè)高電壓輸入多工器和一個(gè)串行接口。每個(gè)LTC6802-2能夠在總輸入電壓高達(dá)60 V的情況下測量12個(gè)串接電池的電壓。所有12個(gè)輸入通道上的電壓測量都能在13 ms的時(shí)間之內(nèi)完成?？梢詫⒍鄠€(gè)LTC6802-2器件串聯(lián)起來，以監(jiān)視長串串接電池中每節(jié)電池的電壓。

　　1.5 均衡控制策略

　　電池管理系統(tǒng)BMS實(shí)時(shí)監(jiān)測電池的電壓、電流等參數(shù)，然后根據(jù)SOC算法計(jì)算電池的剩余電量。當(dāng)發(fā)現(xiàn)電池出現(xiàn)不一致時(shí)，BMS主機(jī)向均衡主控模塊發(fā)送均衡命令，開啟均衡功能。啟動(dòng)均衡功能之后，均衡控制策略根據(jù)電池的SOC、單體極值、單體壓差等情況控制均衡電路，使電量從最高的單體電池轉(zhuǎn)移到其他的單體電池，相當(dāng)于電量高的電池給電量低的電池充電，最終實(shí)現(xiàn)電池組內(nèi)各單體電池的均衡。

2 實(shí)驗(yàn)與測試

　　為驗(yàn)證能量雙向轉(zhuǎn)移型主動(dòng)均衡方案的性能，在電池組靜態(tài)下進(jìn)行了實(shí)際電路實(shí)驗(yàn)，均衡時(shí)間為30 min。電池組由12個(gè)50 Ah鋰電池單體串聯(lián)構(gòu)成，初始各單體電壓如表1所示。從表可以看出，Cell7單體電壓最高，為3.166 5 V；Cell8單體最低，為2.640 0 V。通過均衡策略控制計(jì)算出均衡所需時(shí)間，30 min后測量單體鋰電池電壓。均衡前后的單體電壓變化如圖4所示。由圖4可以看出：（1）均衡后單體最高為Cell7(為3.043 5 V)，單體最低為Cell8(為2.788 5 V)。對(duì)比均衡前單體最高電壓下降了0.123 0 V，單體最低電壓上升了0.148 5 V；（2）均衡前電壓均方差為2.22045E-16，均衡后均方差為1.11022E-16；（3）均衡后12串單體更趨向于某一電壓值，電池單體的一致性有明顯提高，說明了該電路具有較好的均衡效果。

3 結(jié)論

　　通過分析現(xiàn)有均衡技術(shù)，本文設(shè)計(jì)了一種能量雙向轉(zhuǎn)移型主動(dòng)均衡系統(tǒng)。該方案通過反激變換電路實(shí)現(xiàn)，采用多變壓器法均衡拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使得電荷能量在單體間和模塊間高效傳遞。由實(shí)驗(yàn)可以得出，該均衡系統(tǒng)能有效提高電池單體間和電池模塊間的一致性，從而延長動(dòng)力電池的使用壽命，增加電動(dòng)車的單次行駛里程，提高了鋰離子電池組的利用率。

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