集散型锂离子电池组多路径主动均衡系统

湖北汽车工业学院

张 磊，陈 超，齐 闯，余李扬

指导老师：江学焕，贾 蓉

1 作品简介

本作品针对电动汽车集散型锂离子电池组的储能电源单体在制造过程中因所用材质不均，在充放电过程中出现不均衡现象，导致电池组提前老化，严重缩减电池组寿命的问题提出了一种锂离子电池组多路径主动均衡方案。

系统主要由总电池组、均衡电源、电池均衡模块、公共能源通道和电池组均衡决策服务器组成，如图1所示。该系统每个子模块对应一个电池小组，每个电池小组对应七节单体电池，可以通过多子模块串联使用，实现电动汽车上百节串联单体电池的均衡，该模块可以实现电池小组组内均衡，也可以通过公共端实现电池小组的组间均衡，最终实现整个电池组任意两节电池间的能量交换。该系统不仅没有凌力尔特均衡方案的高时序要求，也突破了TI均衡方案60 V以下的瓶颈，具有很好的适应性和推广性。系统实物如图2所示。

图1 系统框图

图2 实物图

2 工作原理

2.1 系统组成

系统主要由总电池组、均衡电源、电池均衡模块、公共能源通道和电池组均衡决策服务器组成。其中电池均衡模块和电池组均衡决策服务器是本课题研究的重点。电池均衡模块主要由反激式DC-DC变换器、矩阵开关、电压监测、温度监测、电源、CAN接口电路和子控制器模块组成。

2.2 多路径均衡控制的基本原理

基于高频变压的多路径能量均衡控制器及DC/DC均衡模块的基本结构如图3所示。该结构由电池小组N、矩阵开关和高频变压器组成，可在一个磁芯上绕制三组线圈组成高频变压器，利用PWM控制技术实现能量在单体电池、电池小组N和公共能量通道间的转移。

各部分的说明如下:

（1）电池小组：每个电池小组由7个单体电池串联而成，在实验时，为了能实现快速充放电，使用超级电容代替锂电池。

（2）矩阵开关：矩阵开关可选需要进行能量转移的单体电池。矩阵开关的结构如图4所示。

图3 基于高频变压器的电池能量均衡结构

图4 矩阵开关的结构

（3）高频变压器：由高频变压器及其外围电路组成的反激式开关电源电路负责能量的转移。通过高频变压器可以实现如下六种方向的能量转移：

①可以将电池小组的能量转移到每个单体电池中；

②可以将单体电池中的能量转移到电池小组中；

③可以将电池小组公共端的能量转移到电池小组中；

④可以将电池小组中的能量转移到电池小组公共端；

⑤可以将电池小组公共端的能量转移到单体电池中；

⑥可以将单体电池的能量转移到电池小组公共端。

2.3 能量转移双闭环控制原理

为了满足电池在能量转移过程中对充放电特性的需求，要求变换器能够实现电池的恒流充电、恒压充电和恒流放电。基于平均电流模式的DC/DC变换器能够满足这一要求，其控制框图如图5所示。

图5 变换器控制框图

2.4 系统工作流程

系统工作流程如下：

（1）各电池均衡模块将监测其对应的电池组的单体电池电压、电池组温度等信息通过CAN接口发送给电池组均衡决策服务器；

（2）电池组均衡决策服务器对接收的各电池均衡模块的信息进行汇总，得到总电池组各电池小组的温度和各电池小组的电压等信息，结合各单体电池和总电池组自身的信息，经判断，电池组均衡决策服务器按照特定的均衡算法模型向各电池均衡模块发送均衡命令，控制电池均衡模块的均衡电流、均衡时间和能量流动方式。

（3）当均衡模块接收到电池均衡决策服务器发送的均衡指令后，按照一定的均衡策略进行均衡，同时继续监测本模块对应的单体电池和电池块的信息，出现异常随时中断，并上报给决策服务器。周而复始，直到总电池组达到完全均衡状态。

3 创新点

（1）高效率均衡控制

均衡系统采用高频变压器进行反激式DC-DC变换，能量传输效率可达70%～80%，均衡电路的能量传递路径短，均衡电流的传输节点少，更进一步降低了能量在传输过程中的损耗，多子模块同时均衡，均衡效率高。

（2）多路径均衡控制

均衡系统采用三绕组高频变压器，以及同名端交换技术实现六路径均衡，控制灵活，可以充分发挥软件控制的灵活性以及均衡的高效性。

（3）均衡系统多子模块分级优化

均衡系统采用一个决策服务器控制多个子模块的形式，可以实现上百节串联锂电池组的均衡，同时不会因为子模块的增加而降低均衡速度，在一定程度上增加了均衡效率，打破了TI方案中最大60 V的瓶颈，也无需凌力尔特方案的高时序要求，控制更简单，更易推广，具有良好的移植性。

4 市场前景

为了解决能源危机和环境污染问题，各国都在加大对电动汽车的科研投入，这不仅促进了电动汽车的快速发展，还间接促进了锂电池组的发展。锂电池以其优越的性能成为电动汽车动力电池的首选，但对锂电池管理系统也提出了更高的要求。为了获得较高的电压和功率，需要将大量锂电池单体串并连接。由于生产工艺的限制，在串联时单体间存在初始容量、内阻、电压等不一致的问题，在使用过程中会导致电池组利用率降低、使用寿命缩短甚至引发安全事故，这些问题已成为电动汽车技术发展的瓶颈。因此，设计一套理想的锂电池均衡系统十分必要。

根据国家统计局公布的最新数据显示，2014年第一季度，全国锂电池行业累计完成产量11.93亿，同比增长13.75%。2013年，我国锂电池总产量达337亿瓦时，同比增长14%；销售收入超过650亿元，同比增长5%。其中，动力型锂电池市场增长30%，销售收入达40亿元。由此可知锂电池近年来在新能源电动车方面愈发被重视，市场占有率节节升高。然而，目前我国新能源电动车的整体水平还有待提高，特别是在锂电池组电池的均衡系统方面，缺乏创新能力和核心技术，所以集散型锂离子电池组均衡系统具有广阔的发展前景。