电动汽车锂离子电池组均衡管理系统设计

郑 翔，黎梅云，孙福龙，张筑亚

（上海电机学院 电气学院，上海 200240）

电动汽车锂离子电池组均衡管理系统设计

郑 翔，黎梅云，孙福龙，张筑亚

（上海电机学院 电气学院，上海 200240）

介绍了一种电动汽车锂离子电池组均衡管理系统及控制方法。均衡拓扑为双向DC／DC集中式有源无损均衡，利用超级电容器组构成外部能量过渡装置，通过控制双向DC／DC对电池组中的单体电池进行低充高放的均衡。系统以电压、电量均衡为目标，利用电池的充、放电曲线估算使不均衡单体回到组内平均水平所需的时间，通过逐次逼近的方法进行均衡。实验结果说明了系统的有效性和可靠性。该均衡管理系统的均衡效果良好，有利于延长电池组的使用寿命。

锂离子电池组；均衡管理系统；数字信号处理器；电动汽车；双向DC／DC变换器

锂离子电池构成的电池组［1］是电动汽车一种理想的能量源。电池组中单体与单体之间存在差异性，随着充、放电次数的增加，这种差异性将使单体间的容量差异更大［2］。由于电池组存在“木桶效应”［3］，即电池组特性由最差的电池决定，故若容量不均衡将影响整个电池组的性能，且在充、放电过程中易发生过充和过放现象，影响电池组的寿命。目前，针对电池组的电池管理技术主要集中在对电池组整体的管理上，对电池单体差异造成电池组的安全隐患，各厂商对此均未给予足够的重视。

目前，对均衡子系统的主要元器件而言，电阻均衡、储能均衡是锂离子动力电池较为常用的无需外加能源的均衡方法［4］。电阻均衡方案中，存在着电阻大小不易选取和热管理的难题［5］。储能均衡是利用电池对电感或电容［6］等储能元件的充、放电，通过继电器或开关器件实现储能元件在不均衡电池间的切换，达到电池间的能量转移。虽然储能均衡的效率较高，但均衡过程中电流不可控，可能损坏电池。

本文利用开关阵列、双向DC／DC变换器和超级电容组构成有源无损的集中式动力电池组均衡管理系统［7］，以电压、电量为目标，设计了控制充放电时间的算法，改变了以往电阻均衡、储能均衡系统能量损耗大、均衡效率低、电流不可控等问题；提高了均衡的精度及效率，从而延长动力电池组的使用寿命。

1 系统硬件设计

锂电池组均衡管理系统包括开关阵列、采样模块、双向DC／DC模块和主控模块。开关阵列负责选通电池组内的某个电池单体；采样模块负责对电池组内单体的电压采集；双向DC／DC模块负责对与组内平均水平差别较大的电池单体进行均衡；主控模块负责整个系统的采样控制、数据分析和均衡控制。均衡管理系统的结构如图1所示。

图1 锂电池组均衡管理系统结构框图Fig.1 Block diagram of equalization management system for lithium－ion batteries

系统工作过程如下：① 采集电池组内各单体的电压；② 计算电池组内单体电压的平均水平，并确定需要均衡的对象及均衡时间；③ 控制均衡模块对与平均水平差别较大的单体实行均衡操作。为保证选通的速度和可靠性，开关阵列中的开关采用松下公司［8］的光控MOSFET开关（PhotoMOS）。锂离子电池组均衡管理系统的电路原理如图2所示。图中，PWM为脉冲宽度调制；第1部分为锂离子电池组，第2部分为开关阵列，第3部分为双向DC／DC均衡电路，第4部分为超级电容器组。

图2 锂离子电池组均衡管理系统原理图Fig.2 Schematic of equalization management system for lithium－ion batteries

1.1 主控模块设计

在电池组均衡管理系统中，主控模块需完成开关阵列的控制、电池组电压的采集及分析处理，产生两路PWM信号控制双向DC／DC变换器对电池组进行均衡等。系统采用TI公司TMS 320 LF 2407A数字信号处理器（Digital Signal Processor，DSP）作为主控制器［9］。模拟地与数字地用磁珠隔离，能有效减小共地干扰。利用DSP内部集成的10位AD转换器，可对电池组电压进行采集。DSP快速的运算能力可满足本均衡管理系统中对电压数据的分析及充、放电均衡时间的计算速度要求。两路PWM信号由事件管理器产生，经74HC 245驱动、TLP 559隔离后送双向DC／DC模块。

1.2 开关阵列控制逻辑设计

为保证开关阵列的逻辑控制准确、可靠及可扩展性，系统采用Altera公司［10］的MAX II系列EPM 240T100C5N复杂可编程逻辑器件（Complex Programmable Logic Device，CPLD）作为开关阵列逻辑译码电路。将DSP的IOPE4～0设置为输出，提供5路译码输入信号给CPLD，经过译码能产生系统所需的17路PhotoMOS控制信号。DSP和CPLD的开关阵列译码电路［11］如图3所示。

图3 开关阵列逻辑控制电路Fig.3 Control logic of switch matrix

译码器的输入为IN4～IN0，输出为S13～S1，K4～K1。当译码器输出为低时，图2中开关闭合。当选通1号电池时，输入为00001，S13～S1输出为1111111111100，K1～K4为0110；选通2号电池时，输入00010，S13～S1输出1111111111001，K1～K4为1001，其余译码结果以此类推。

1.3 采样模块设计

采样模块负责电池组内各单体电压的采集，作为判断电池组是否需要均衡和计算均衡所需时间的依据。系统采用逐个单体电池巡回检测的方法［12］减少了AD转换通道。采样时，先选通电池单体，经调理电路和DSP内部的10位AD转换器完成电压检测。调理电路采用差分电路和加法电路将电压测量总线上－4.2～4.2V内的电压调理到0～3.3V，送给AD，从而得到电池单体的电压。

1.4 均衡模块设计

均衡模块的作用：对组内电压偏低的单体进行充电均衡，对组内电压偏高的单体进行放电均衡。此部分采用双向DC／DC变换器［14］实现，电路拓扑如图4所示。

图4 双向DC／DC变换器的拓扑图Fig.4 Topology of bi－directional DC／DC

图4中，Ubat为待均衡电池单体的电压，Ucap为超级电容组的电压。双向DC／DC变换器具有两种工作模式：

（1）升压－放电均衡模式。变换器工作于升压模式，对待均衡单体进行放电，电流I为正值。此模式下，Q2一直处于关断状态，由C1，C2，L1，Q1和D1组成升压斩波（Boost）电路，能量从电池单体流向超级电容器组。

（2）降压－充电模式。变换器工作于降压模式，对待均衡单体进行充电，电流I为负值。此模式下，Q1一直处于关断状态，C1，C2，L1，Q2和 D2组成降压斩波电路（Buck），能量从外部超级电容流向电池单体。

开关管Q1和Q2选用IRF540，续流二极管选择SR 560。隔离器件采用高速光耦6N137，开关管驱动芯片采用IR 2110［15］。驱动脉冲由DSP的事件管理器A提供。

2 均衡算法设计

电池组均衡目标是对电池组内各单体进行电压均衡，且实现各单体的剩余电量基本一致。研究发现，锂电池剩余电量与其端电压呈一定线性关系，但并不准确。因此，本均衡管理系统采用电池的充、放电曲线估算不均衡单体回到组内平均电压水平所需的时间，通过逐次逼近的方法进行均衡［16］。常规充电方法中，恒流充电阶段对应的电池端电压变化范围最大，正常使用过程中电池单体电压均分布在此范围内［17］。本系统采用恒流充电方式对放完电的锂电池进行恒流充电实验，得到电池电压随充电时间的充电曲线。从充电曲线中可以得到电池电压由起始电压变化到某一电压所需的时间。而通过放电曲线可读出100%容量的电池单体对应的电压以恒流方式放电到某一电压所需的时间。在完成电池组电压采集后，可得到电池组内单体平均电压、最大电压和最小电压等信息，根据各单体电压与平均水平的偏离程度，可确定电池组待均衡的对象。

均衡时间的计算方法如下：假设电池组单体平均电压为Uavg，欠压电池的单体电压为Ui（i为单体电池的编号），则在充电曲线中可得到电池单体的电压由起始电压变化到Uavg及Ui所需的时间分别为tavg与ti。使均衡电流与充电曲线中的恒流阶段的电流一致，可计算出电压由Ui变化到Uavg所需的时间为ΔTi，ΔTi＝tavg－ti。为了防止过充，可先对欠压单体进行略小于ΔT时间的主体充电，然后进行若干次浮充电，只要均衡对象的电压在系统设定的均衡范围内，即可停止充电均衡操作。对某一单体进行充电均衡的过程如图5所示。

图5中，主体充电的时间略小于计算出的ΔTi，每次浮充电的持续时间短，这样的组合既可达到较快的均衡速度，又可防止过充。均衡范围可根据需要设定。

图5 某一单体充电均衡的过程Fig.5 Equalization processing for a single battery

放电均衡的时间计算与充电均衡的时间计算类似，不再赘述。

3 实验研究

实验用的电池组由12个3.6V1A·h的锂离子电池单体串联而成。为便于电压测量和对电池进行电压均衡，将各单体电池的正、负极均引出，并与本文所设计的电池组均衡管理系统正确连接。均衡管理系统的性能检测实验步骤如下：

（1）将电池组充满电，此时电压处于均衡状态；

（2）对电池组中的9号电池单独进行放电，静置后电压为3.9V，使电池组不均衡，如图6所示。

图6 电池组不均衡时各单体电池的电压Fig.6 Voltage of each battery in the case of non－equilibrium

图7 非均衡情况下的放电曲线Fig.7 Discharge curve in the case of non－equilibrium

（3）利用0.4C的恒定电流，对电池组进行放电实验，发现在不均衡情况下，9号单体的放电曲线与整体水平差别较大，如图7所示。

图8 均衡处理后电池的电压Fig.8 Voltage of each battery in the case of equilibrium

（4）利用本文设计的均衡管理系统，对电池组进行充电均衡（具体对9号电池进行充电），然后对电池组整体进行充电，此时电池组重新达到均衡状态，如图8所示。

（5）利用0.4C的恒定电流，对电池组进行放电实验，发现在电压均衡情况下，9号单体的放电曲线与整体水平接近，如图9所示。

由实验可见，在电压不均衡情况下的放电，将使单体电池电压的离散性更大，从而影响电池组整体性能的发挥；经过均衡处理后，各单体电池的放电曲线比较一致，这也说明本文所设计的电池组均衡管理系统是有效的。

图9 均衡后电池组的放电曲线Fig.9 Discharge curve in the case of equilibrium

4 结 语

本文设计的电池组均衡管理系统基于双向DC／DC变换器集中式均衡结构，采用检测—运算—充、放电的模式进行电压均衡，能量过渡存储装置为超级电容，具有不消耗能量、均衡速度快的优点。双向DC／DC变换器的使用，不仅可以使能量双向流动，而且还能有效地控制均衡电流，保护电池单体。以电压均衡为目标，利用充放电曲线估算均衡时间的控制算法具有一定的工程参考价值。

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Design of Equalization Management System of Lithium－ion Batteries for Electric Vehicle

ZHENG Xiang，LI Meiyun，SUN Fulong，ZHANG Zhuya
（School of Electrical Engineering，Shanghai Dianji University，Shanghai 200240，China）

An equalization management system（EMS）and its control methods is presented for lithium－ion batteries in electric cars.Topology of EMS is centralized active lossless equalization structure based on bi－directional DC／DC converters.With ultra－capacitors as external energy storage device，batteries can be charged at low voltage and discharged at high－voltage to the average level of the battery pack.At the same time，the main controller can calculate the equalization time to back the balanced status according to charge and discharge curves.With equalization voltage and charge as the main goal，using a successive approximation equalization method，EMS can gradually balance the battery pack.Experimental results are presented to show validity and reliability of the proposed scheme.The system is used to extend life of the battery pack.

lithium－ion battery pack；equalization management system；digital signal processor（DSP）；electric vehicle；bi－directional DC／DC converter

郑 翔（1979－），男，讲师，博士生，专业方向为仪器科学与技术，E－mail：zhengxiang＠sdju.edu.cn

TM 910.6

A

2095－0020（2012）03－0152－05

2012－05－24

上海市教育委员会重点学科资助（J51901）