一种磷酸铁锂动力电池组主动均衡充电系统

邱斌斌，刘和平，杨金林，胡 勇，郭 军，余 阳

(1．重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室，重庆400044;

2．重庆永通信息工程实业有限公司，重庆400048;3．宜宾普什重机有限公司，四川 宜宾644000)

一种磷酸铁锂动力电池组主动均衡充电系统

邱斌斌1，刘和平1，杨金林2，胡 勇3，郭 军1，余 阳1

(1．重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室，重庆400044;

2．重庆永通信息工程实业有限公司，重庆400048;3．宜宾普什重机有限公司，四川 宜宾644000)

研究了一种电动汽车用磷酸铁锂动力电池组分布式主动均衡充电系统。该系统由单体电池管理模块和整车控制器组成。各模块之间通过CAN总线通信，单体电池管理模块与整车控制器之间通过CAN-USB总线适配器进行通信。电池组中各单体电池分别配备了单体电池管理模块，单体电池管理模块由单体电池检测单元和单体电池均衡充电单元构成，单体电池均衡充电单元采用反激变换器实现由电池组向单体电池荷电状态低的电池进行补充电，从而实现各单体电池荷电状态的基本一致，延长电动汽车续驶里程。最后对系统进行了48V/140Ah磷酸铁锂电池组在静置模式下的均衡实验。

分布式;主动均衡;平均值比较法

1 引言

磷酸铁锂电池因其具有充放电电压平台变化小、储能大、无记忆性、环保等优点，是电动汽车动力电源的最佳选择之一。单体电池额定电压平台为3.2V，使用过程中大多由多节单体电池串并联而成组，以满足储存容量和电压等级的需要［1-5］。

由于单体电池生产过程中的不一致性，在电池组串联使用过程中随着充放电次数的增加，单体电池间的容量不一致性会逐渐增大，从而导致动力电池组性能下降和循环寿命缩短［1-7］。为此，动力电池组需均衡充电，达到降低单体电池不一致性的影响，改善动力电池组性能，延长电动汽车续驶里程。

而目前国内外均衡充电多数选择电池端电压作为均衡判据，所以存在均衡判据不稳定的问题［8，9］。为此，本文研究了一种磷酸铁锂动力电池组分布式主动均衡充电系统。该系统采用单体电池荷电状态(State of Charge，SOC)作为均衡判据，由单体电池管理模块和整车控制器组成。各单体电池管理模块实时检测单体电池的SOC，并将其通过CAN总线上传给整车控制器，整车控制器将分析当前电池组的不一致性，计算电池组平均 SOC，并将单体电池 SOC与电池组平均SOC进行比较，待电池组平均SOC与单体电池SOC的差值大于阈值ε时，整车控制器将向该单体电池管理模块发送均衡充电指令，单体电池管理模块在接收到均衡充电指令后将控制单体电池均衡充电单元工作对该单体电池补充电量。由于单体均衡充电单元的输入电量来自电池组，所以在给SOC低的单体电池补充电量的同时，就实现了电池组电量向单体电池的转移，待各单体电池SOC趋于基本一致时，整个均衡充电过程结束。

该系统可实现对电池组在充电、放电和静置模式下的均衡充电，通过对由16节单体串联而成的48V/140Ah磷酸铁锂动力电池组展开静置模式下的系统均衡实验，验证了该系统对改善电池组不一致性是有效的。

2 主动均衡系统结构

图1是本文采用的磷酸铁锂动力电池组主动均衡系统的拓扑图。本系统主要由单体电池管理模块、单体电池均衡充电单元和整车控制器三部分组成。

图1 主动均衡系统拓扑图Fig．1 Topology of active equalization system

图1中，整车控制器通过USB-CAN总线适配器与单体电池管理模块的CAN总线相连接，实现了对单体电池管理模块信息的发送和接收。

由n个单体电池管理模块构成电池组的管理系统。如图2所示，为本系统中4节单体电池管理模块与单体电池的连接图。

图2 单体电池管理模块连接线图Fig．2 Cable connection of single battery management model

图2中，单体电池管理模块之间采用CAN总线进行通信和连接。单体电池管理模块各自分别引出两根线与单体电池相连接，对单体电池进行管理，可随时从单体电池上将单体电池管理模块断开。

3 单体电池检测单元

如图3所示，单体电池管理模块由单体电池检测单元和单体电池均衡充电单元两部分组成。单体电池检测单元包括智能芯片(ECU)、分压电路、电流传感器、滤波电路、电池电压采样、电流采样以及温度采样;单体电池均衡充电单元包括 DC/DC电路、光电耦合隔离电路和CAN总线通信电路。

图3中，ECU为Freescale公司的MC9S08DZ16芯片。该芯片具有输入宽电压范围、内部电压基准、多路模数转换通道、CAN通信模块、低功耗等特点。输入宽电压范围的特点使得芯片可以直接采用由单体电池供电，而不需加入稳压电路对芯片进行供电。

图3 单体电池管理和单体电池均衡模块图Fig．3 Single battery management model and single battery equalization model structure

其工作原理:单体电池电压经电阻分压电路分压后，经滤波电路处理输入电池管理芯片进行检测。

单体电池温度采用热敏电阻构成的电阻分压电路进行分压后，经由滤波电路的处理再输入电池管理芯片的模数转换通道进行检测。串联电池组中流经单体电池的电流信号首先经电流传感器转换为电压信号后，再经滤波电路的处理输入到检测芯片进行检测。单体电池管理系统根据检测到单体电池电压、温度和电流参数，采用自适应卡尔曼滤波算法实时估算单节电池的荷电状态。

由于电池在长时间搁置不使用时检测电路依旧在工作，单体电池通过分压电阻不断在放电，为此本文对电池电压和温度的检测过程中，加入了低功耗电路设计。如图4所示，为电池电压采样电路。

图4 电池电压采样电路Fig．4 Battery voltage sampling circuit

图4中，为了降低采样电阻 R7和 R8的能量损耗，在不需要采样的时候，将PT-V即PTA0口置低。此时，电阻R7和R8两端的电压为0V，无电量损耗。为了减小这些损耗，每次 A/D采样时，都要设置PTA0口，当采样完成时，将 PT-V置低。通过该方式可有效地减小分压电阻的能量损耗。基于同样的设计思想，在温度采样中也加入了低功耗电路设计。

4 单体电池均衡充电单元

在图3中，单体电池ECU接收到整车控制器的充电使能信号，将经光电耦合隔离电路给单体电池均衡充电单元驱动电路发送开启均衡充电信号。光电耦合隔离电路如图5所示，

图5 光电耦合隔离电路Fig．5 Optical-coupler isolation circuit

由于单节均衡充电单元和单节电池检测单元不共地，所以必须电气隔离，图5中采用光电耦合芯片PC817，实现高压与低压的电隔离。图5中的 ONOFF引脚接单体电池均衡充电单元主电路中的DPA424芯片的X引脚。单体电池均衡充电单元主电路如图6所示，DC/DC变换器的输入为电池组总电压，输出接到单体电池的两极。

图6 反激变换器电路图Fig．6 Circuit of flyback converter

图6中，变换器是由 DPA424芯片来进行斩波控制的。DPA424芯片内嵌一个MOSFET，该MOSFET的占空比由变压器偏执绕组通过控制端 C控制。当DPA424开通后，MOSFET的占空比由0开始递增到75%，然后开始减小，直至稳定。图6中当输入端电压增加时，绕组输出电压和偏执绕组电压也都增大，此时由于R1电阻值不变，所以流过 R1的电流增加，而MOSFET的占空比与流入控制端C的电流成反比，此时MOSFET的占空比减小，绕组输出电压和偏执绕组电压也都减小，这样电路就形成一个负反馈，从而实现一个稳定的补充充电电压。

如单体电池均衡充电单元软件设计采用 C语言编程，如图3所示，单体电池均衡充电单元 ECU通过CAN总线与整车控制器进行数据交换，整车控制器接收到各单体电池SOC值后，将对电池组求出其荷电状态平均值。电池组荷电状态平均值有:

式中，SOCi为第 i节单体电池荷电状态。在求出电池组平均荷电状态值之后，整车控制器将把各单体电池荷电状态SOCi与电池组平均荷电状态进行比较:

式(2)中，ΔSOC为电池组荷电状态平均值与各单体电池荷电状态的差值。设定阈值ε，当ΔSOC＞ε时，整车控制器将向单体电池均衡充电单元发出充电指令和当前的ΔSOC。单体电池的ECU将开通光电耦合隔离电路，从而单体电池均衡充电单元对该单体电池补充电量。

单体电池均衡充电单元软件设计采用 C语言进行编程，流程图如图7所示。

图7 均衡充电单元流程图Fig．7 Control structure of equalization charging

5 实验结果

本文使用48V/140Ah磷酸铁锂动力电池组展开了在电池组处于静置模式下的均衡充电实验。依据SAE J1939标准协议，在CAN2.0B协议基础上创建了通信协议:①通信采用29位标识符的扩展帧;②通信波特率设置为 250kb/s。动力电池组由16节单体电池串联而成，首先对16节单体电池在满充电后进行了带电子负载下恒电流放电试验，对1～3号电池SOC分别放电到0.77、0.78、0.79，对4～16号电池SOC放电到0.9。阈值 ε设定为1%，静置模式下系统均衡实验结果如图8所示。

图8 电池组SOC均衡变化图Fig．8 Equalization variation of battery SOC

如图8所示，经过5h左右的时间单体电池均衡充电单元将1号和3号的SOC值补充到0.86，2号电池的SOC值补充到0.85。由于4号 ～6号电池一直处于放电状态，电池的 SOC值由 0.9变为0.85。电池组SOC差异控制在阈值ε范围之内。

6 结论

本文研究了一种可用于磷酸铁锂动力电池组的分布式主动均衡充电系统。该系统将单体电池SOC作为均衡判据，采用平均值比较法控制策略对电池组进行SOC均衡实验，实验结果说明了该系统有效地改善了电池组SOC一致性。但其缺点是由于均衡时间较长、单体电池均衡充电单元输出电流单一使得均衡系统效率不高;同时本文使用的是由电池组作为均衡输入电源，该方法存在从内部能量高的单体电池获取电能，因此风险较大。为此，论文在后期正展开模糊控制主动均衡充电算法研究，均衡电源部分为外加电源。

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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

重庆市科技攻关计划资助项目(CSTC，2010AB6110)

邱斌斌 (1987-)，男，江西籍，硕士研究生，研究方向为电力电子与电力传动、电动汽车电池管理系统;刘和平 (1957-)，男，重庆籍，教授，博士生导师，主要从事电力传动及其控制技术、汽车电子研究等。