电动汽车锂电池组主动均衡的研究

周西峰，贾星远，郭前岗

（南京邮电大学 自动化学院，江苏 南京 210023）

0 引言

由于锂电池具有能量密度高、自放电率低、循环寿命长等优点，目前已广泛应用于电动汽车领域。在锂电池使用过程中，需要将多节单体电池通过串并联后为电动汽车提供能量。此时单体电池性能的差异会导致电池组出现不一致性现象，而电池组的不一致性会造成成组电池使用性能的下降，导致电池组的可用容量和使用寿命的降低，从而降低电动汽车的续驶里程，增加使用成本[1-2]。为减小电池组中各单体间的差异，保证电池组的正常使用，本文研究了一种基于双向反激式变压器的主动均衡系统，该主动均衡系统通过能量双向转移的方式，不管在电池组充电、放电还是静态阶段，都可以对电池组内各单体电池进行均衡处理，使电池组单体性能保持一致[3-4]。

1 主动均衡结构设计

基于变压器的锂电池组双向均衡系统由数据采集模块、均衡主控模块、均衡模块与上位机4部分组成，如图1所示。

图1 均衡系统结构图

（1）数据采集模块：电压采集使用凌力尔特推出的第三代电池组监测专用芯片LTC6804，该芯片能测12个串联的单体电池，每个单体电池的电压范围为0～5 V[5]。另外，LTC6804支持多种不同的电压采集模式，可以牺牲速率来提高精度，也可以提高采集速率但降低采集精度。在高速率下，对每路单体电池的电压采集周期可以小于240 μs。系统通过电压采集模块持续采集电池电压并将电压信号通过SPI传送给控制模块，MCU确定均衡对象，然后由均衡主控芯片来驱动MOS管对电池进行均衡。MCU使用PIC高性能微处理器。

（2）均衡主控模块：该模块主要由均衡芯片LTC3300构成，它是一款带故障保护的控制器IC，适用于多节电池的变压器双向主动均衡，集成了相关栅极驱动电路、高精度电池感测、故障检测电路和带内置看门狗的串行接口[6-7]。LTC3300可实现6节单体的双向同步反激式均衡，10 A最大均衡电流，能够达到92%电荷转移效率，1 MHz可菊链式串行接口兼容SPI，可对6节串联单体电池均衡，未执行均衡操作时的静电流为 23.5 μA。

（3）均衡模块：均衡主控通过均衡策略来控制MOSFET的打开和关断。当单体荷电量高于电池模块的平均值时，需要对该单体放电；当单体荷电量低于电池模块的平均值时，需要对该单体充电。如图2所示为均衡模块示意图。

对于图2来说，假设检测到CELL 1电压过高，CELL 2（整个电池组或者某单体电池）电压过低，则初级绕组开关G1P控制M1场效应管接通，电流在变压器初级绕组中斜坡上升，直到在I1P引脚上检测到峰值电流 （在I1p上检测），初级开关G1P随后控制M1断开，存储在变压器中的能量被转移到次级绕组中，使得电流在变压器的次级绕组中流动；次级开关G1S同步控制M2接通直到次级电流降至零（在 I1S上检测），一旦次级电流降到零，次级开关G1S控制M2断开，初级开关G1P重新控制M1接通，如此重复循环。这样，CELL1多余的电荷即可从该单体逐渐转移到需要电池的模块中，达到单个电池放电的目的。对CELL2（整个电池组或者单体电池）充电过程与放电一样。

图2 变压器双向均衡模块

2 电路仿真

仿真工具采用凌力尔特公司提供的模拟软件LTspiceIV，仿真参数为：电池组由 6节电池串联而成，MOSFET开关频率为 5 kHz；检测电阻 Rpri=Rsec=25 mΩ，变压器匝数比为 1∶1；变压器初、次级励磁电感 Lm=30 μH；初级最大占空比 Dp=0.35；次级最大占空比 Ds=0.25。如图3所示，上面为初级绕组电流达到2 A时（峰值电流），初级 MOS关断，在初级 MOS关断瞬间，次级MOS打开，能量从初级变压器绕组转移到次级变压器绕组，当次级绕组检测到电流为零时，次级MOS关断。这样实现初级绕组与次级绕组能量的双向传递，从而重复上述循环。通过图3可知，仿真波形与理论分析一致，且由均衡电流大小可知，均衡系统具有速度快的特点，所以该方案具有可行性。

图3 初、次级均衡脉冲电流

3 系统测试

实验采用的电池组额定总容量为4.8 Ah，由8节磷酸铁锂电池串联组成，单体额定电压为3.6 V，单体额定容量为600 mAh，在初始状态不一致的情况下，采用本系统在电池空载状态下对其进行均衡。均衡前电压如图4所示，由上位机采集所得，其中标号为Cell 14的电压最高为3.474 V，标号为Cell 10的电池电压最低为3.287 V。经过30 min静态空载测试后，绘制成如图5所示的坐标图，从中可以看出，各个单体电池的电压趋于一致，所以该方案具有实用性。

图4 上位机采集的均衡前电压值

图5 均衡前后电压值

4 结束语

为了解决电动汽车锂电池成组后的不一致性，本文设计了双向反激式变压器均衡系统，采用了简单的双绕组变压器实现多个单体的双向均衡，均衡电流高、速度快，减少了均衡时间。从实验结果看，该均衡方案能够将能量从高电压的单体向低电压的单体转移，使各个单体电压趋于一致，达到均衡的效果，从而延长了锂电池组的使用寿命及确保其安全性，保障了电动汽车的性能和安全。

[1]杨春雷.电动汽车电池管理系统关键技术的研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2011.

[2]杨洪.纯电动汽车锂电池组充电均衡技术的研究[D].郑州：郑州大学，2012.

[3]王波.基于LTC6803的电池管理系统的设计[J].电源技术，2013，37（7）：1188-1190.

[4]王牧之，王君艳.反激式高频变压器的分析与设计[J].现代电子技术，2011，34（8）：157-160.

[5]李哲.纯电动汽车磷酸铁锂电池性能研究[D].北京：清华大学，2011.

[6]谭小军.电池管理系统深度理论研究[M].广州：中山大学出版社，2014.

[7]王旭光.动力电池组均衡研究与设计[D].杭州：杭州电子科技大学，2011.