《电子技术应用》
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一种基于电动自行车电池包的均衡策略
2019年电子技术应用第4期
吴 宏,宋春伟,郭永洪
中国计量大学 机电工程学院,浙江 杭州310018
摘要: 针对电池不均衡及现有电池均衡系统过于复杂等问题,提出了一种新型的均衡策略。该均衡策略将主动和被动均衡技术相结合,但又不同于现有的结合方式。该均衡策略在电池充电情况下用被动均衡方式给电池单体均衡,在电池静置或放电情况下用主动均衡方式给电池组均衡,不仅均衡电路更简单,节约成本,而且均衡效果显著。实验基于电动自行车的电池包,将电池包分为两组,一组大电流放电模拟电池组不均衡,另一组正常使用。根据上述策略进行实验,实验结果表明了该均衡策略的可行性,且主被动均衡后的电池电压基本恢复,可正常使用。
中图分类号: TN86
文献标识码: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.183330
中文引用格式: 吴宏,宋春伟,郭永洪. 一种基于电动自行车电池包的均衡策略[J].电子技术应用,2019,45(4):64-68.
英文引用格式: Wu Hong,Song Chunwei,Guo Yonghong. A balance strategy based on battery pack of electric bicycle[J]. Application of Electronic Technique,2019,45(4):64-68.
A balance strategy based on battery pack of electric bicycle
Wu Hong,Song Chunwei,Guo Yonghong
College of Mechanical and Electrical Engineering,China Jiliang University,Hangzhou 310018,China
Abstract: A new balancing strategy was proposed to solve the problems of unbalanced batteries and the complexity of the existing battery balancing system. This balancing strategy combines active and passive balancing techniques, but it is different from the existing methods. This equalization strategy uses passive equalization to equalize the battery unit under battery charging and active equalization to equalize the battery pack under static or discharging conditions. It not only simplifies the equalization circuit, saves cost, but also has significant equalization effect. Based on the battery pack of electric bicycle, the experiment divides the battery pack into two groups. One group simulates the unbalanced battery pack with high current discharge, and the other group is in normal use.The experimental results show that the equalization system is feasible, and the battery voltage after active and passive equalization is basically restored and can be used normally.
Key words : cell passive equalization;battery pack active equalization;battery pack for electric bicycle

0 引言

    现阶段新能源电动车的驱动能量主要来自动力电池,驱动电动车行驶需要较高能量,故动力电池通常由大量单体电池串并联而成。而由于制造工艺、存放时间以及工作温度等因素的影响,大量单体电池在串并联的情况下使用,会日趋不一致[1]。电池不一致性如果不加以控制,在电池充放电过程中,会出现个别电池过充放现象,使电池发生不可逆损坏,降低电池可重复使用的次数[2]。并且由于电池的“木桶效应”,不一致性还会降低电池的实际可用容量,使电动车的行驶里程减小[3]。改善电池间不一致性,可延长电池的使用寿命,提高实际可用容量,因此对电动车的电池组进行能量一致性管理,显得尤为重要。

    电池组能量均衡管理的方法,按是否损耗能量可分为耗散型均衡(即被动均衡)和非耗散型均衡(即主动均衡)[4]。被动均衡主要指通过电阻放电,以热量形式直接消耗掉较高电压电池的能量。被动均衡法虽能以低成本保证电池的一致性,但该均衡法会使电池能量损耗,降低电池的利用率。因此为解决被动均衡缺点引起的问题,能量转移型的主动均衡方式被大力倡导。目前,研究人员提出了多种主动均衡方案[5],电池电量通过电容、电感、变压器[6]、储能电池[7]、升-降压型DC/DC变换器[8-9]等媒介进行能量转移,达到电池能量均衡的目的。虽然主动均衡通过转移能量进行均衡,避免了能量的损耗和散热问题,但电路较为复杂,影响因素较多,成本较高[10]

    因被动均衡会产生电池能量损耗,若在行车过程中使用该方法均衡,则得不偿失,加快电池能量流失,降低电池的利用率。若所有单体电池均用主动均衡电路,不仅电路更为复杂,成本较高,且当电池单体间能量差距较小时,均衡能量较难控制:若均衡条件设置过低,容易造成双向反复均衡;若均衡条件设置过高,则无法达到预期的均衡效果。

    为研究实验出更适用于实际的均衡方式,本文基于电池串联的电动自行车电池包,提出了一种电池单体用被动均衡,电池组间用主动均衡方式的均衡方式。通过实验验证了该均衡方式的可行性,且均衡后的电池包还能用于电动自行车。

1 电池单体及组间主被动均衡设计

    因被动均衡成本低,主动均衡转移能量[11],本方案结合主、被动均衡方式的优点,将被动均衡用于电池充电状态时的电池单体均衡,主动均衡用于电池静置和放电或充电状态时的电池组间均衡。该均衡策略结构示意图如图1所示,策略主要由被动均衡模块和主动均衡模块组成,其中主动均衡模块包括电压采集、微控制器处理及均衡控制模块。

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    以电池的一个充放电循环均衡为例,在电池静置或放电过程中,实时监测各组电池总电压,计算单体电池的平均电压。当组间平均电压极差大于所设定的启动均衡值时,微控制器控制产生一个控制脉宽调制(PWM)信号,驱使场效应管通断。通过设置PWM波的周期或占空比来控制主动均衡转移的能量。当均衡到电压极差降到所设均衡终止极差值时,关闭PWM波。此时已能确保各电池组电压值较为一致,若仍存在轻微不一致,不影响使用,可在电池充电过程中,利用被动均衡,进一步均衡电池。

2 被动均衡模块

    本文所提被动均衡模块包括单体电池保护及被动均衡电路,采用HY2113和HY2213系列芯片。由于单体电池保护及被动均衡电路重复性较强,本文只截取两节锂离子电池的保护及均衡电路,其电路如图2所示。若需增加电池,只需在此基础上增加相同电路即可。

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    HY2113系列IC可用于锂离子电池的过充电、过放电保护。充电过程中,当单体电池电压超过过充电检测电压(VCU),并且持续时间超过过充电检测延迟时间(TOC)时,HY2113系列IC关断用于充电控制的OC端子的三极管,停止充电。放电过程中,当单体电池电压降低到过放电检测电压(VDL),并且持续时间超过过放电检测延迟时间(TOD)时,HY2113系列IC关断用于放电控制的OD端子的三极管,停止放电。

    HY2213系列IC内置高精度电压检测电路和延迟电路,适用多节电池组的单节锂离子电池充电平衡控制。充电过程中,当单节电池电压超过所设均衡检测电压(小于充电检测电压VCU),并且持续时间超过延迟时间时,芯片驱动OUT端子的MOSFET导通,通过所接电阻形成放电回路,进行放电均衡。

3 主动均衡模块

    电动车在行驶过程中使用被动均衡,会造成电池不必要的能量损耗,其可使用能量减少。因此,被动均衡仅用于单体电池充电过程,对放电或静置过程中的电压不一致情况,本设计对电池组组间不均衡采用主动均衡方式。

3.1 主动均衡硬件电路

    本文设计的主动均衡是依据电池电压进行的,电池组电压的采样精度决定了电池的均衡效果,因此对电池组电压的监测精度要求较高。为得到较精确的电池电压,本文不使用主控芯片所带的模数端口,而是利用TM7705芯片进行电池组电压监测采样[12],如图3所示。TM7705低成本,低功耗,且采用Σ-Δ结构实现模数转换,在噪音环境下能免受干扰,因此较适合用于工作环境较为恶劣的电动车。

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    主动均衡控制电路如图4所示,可通过微控制器控制进行双向均衡。微控制器将采集到的电池组电压数据进行处理,计算出各电池组电压平均电压。判断电池组平均电压间的电压极差,当电压极差大于启动均衡压差值ck2-t3-x1.gif时,启动主动均衡电路。均衡电路Buck-Boost电路的工作原理[13]:控制PWM脉冲宽度调制信号的周期和占空比,进而控制AO3460场效应管导通时间变化。当PWM信号驱动AO3460导通时,电感电流上升;当PWM信号驱动AO3460截止时,电感电流不能突变,经流D3或D4,形成回路,使电压高的电池组的电量均衡到电压低的电池组。因电池组内电池串联,故均衡时,电量同时均衡到各个电池。当均衡到电池组间平均电压的极差小于停止均衡压差值ck2-t3-x2.gif时,停止均衡。

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3.2 主动均衡软件控制流程

    本文所提均衡策略采用STM8S003F3P6芯片,使用C语言编写,在IAR Embedded Workbench IDE开发环境中进行,包括电压采集模块、均衡控制模块及均衡状态显示。软件控制流程如图5所示,先进行系统初始化,通过SPI通信方式控制TM7705进行电池组的电压采集,处理TM7705返回的各个电池组的总电压信息,计算各电压组的平均值ck2-3.2-x1.gifck2-3.2-x2.gif差大于设置的启动均衡电压差ck2-3.2-x3.gif时,启动均衡电路;当ck2-3.2-x2.gif差小于所设截止均衡电压差ck2-3.2-x4.gif时,停止均衡。

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4 实验验证及结果分析

    本文所提供的实验验证基于电动自行车的电池包,该电池包由10节18650型号三元锂离子动力电池串联组成。该型号电池额定电压为3.65 V,充电终止电压为4.2 V。本实验设计在该电池包基础上增加被动均衡及主动均衡电路,使其不仅提供电动自行车行驶能量,且可用于当汽车12 V蓄电池没电时,给蓄电池搭电。即使搭电会造成电池电压不均衡,也可利用本文所设计的被动均衡和主动均衡电路,将不均衡的电池单体和电池组均衡到趋于一致。

4.1 被动均衡电路验证及结果分析

    HY2213-BB3A芯片过充电检测电压可为4.200±0.025 V,过充电均衡截止电压可为4.190±0.035 V。选用此芯片监测电池的电压,当某节电池在充电过程中,电压超过充电检测电压,且该充电状态持续时间大于250 ms时,芯片OUT端子会产生由低到高的电平变化,来打开AO3400场效晶体管,使该较高电压的电池放电回路导通,达到均衡效果。被动均衡电路用62 Ω电阻放电,其功率约为0.3 W,均衡电流约为68 mA。表1为被动均衡电路的验证实验及数据。

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    将电池从负极向正极依次从1~10升序编号,初始电池电压极差0.014 V,共同充放电后,人为给第9节放电,其电池电压3.775 V,其余电池电压均在3.9 V~3.919 V之间,电压极差为0.144 V。经过充放电循环,电池包中各个单体电池电压基本一致,且压差已恢复到0.014 V。实验结果表明该电池被动均衡电路可实现电池单体的均衡。

4.2 主被动均衡策略验证及结果分析

    将电池包的10节电池分为两组:一组为编号7~10节电池;另一组为1~6节电池。在汽车12 V蓄电池没电时,可将7~10节电池用作汽车的搭电宝,并模拟了电池组的不均衡状态。通过提供100 kHz、33%占空比的PWM方波,控制主动均衡电路均衡两组电池的电压,均衡电流约为42 mA。被动均衡与主动均衡相结合,可使电池单体和电池组的电压趋于一致。PWM均衡电路输入脉冲信号,对比数据,观察电池从不平衡到平衡的过程。表2为主被动均衡策略实验数据。

    初始电池最大压差0.014 V,人为给第3、7节放电,使第3、7节电池电压在3.96 V左右,其余电池电压在4.13 V左右,电压极差为0.177 V。给电池充电,除3、7节电池外,其余电池均启动被动均衡,均衡电流67 mA。从表2所记录数据可以看出,当其余电池接近满电压,但个别电池不均衡时,仅用被动均衡进行均衡,效果并不明显,且均衡速度慢。因此主动均衡介入是必要的。

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    实验设置判断启动主动均衡的电压极差为100 mV,停止主动均衡电路判断压差设置为45 mV。用7~10节电池给汽车搭电,模拟电池组间不均衡,此时电池组间平均电池压差为0.299 V。启动PWM波主动均衡电路,给电池组均衡。重新设置主动均衡的启停条件,充电30 min后,再次启动PWM主动均衡电路,使电池组间平均电池压差为15 mV。再次利用被动均衡电路给电池包充电,使电池包电池组间压差降为10 mV。此时主被动均衡策略已完成一个均衡循环。为了证明该主被动均衡策略所均衡的电池电压极差较小并非偶然,本文另外增加了一次完全放电和充电过程,给该电池包放电达到放电截止电压,再给该电池包充电。该电池包中电池放完电时,电压极差仅为22 mV;充满电时,该电池包电压极差仅为8 mV。结果表明,本文所设计的电池均衡策略切实可行,且均衡效果明显。

5 结论

    本文针对动力电池不均衡问题,提出了一种新型的均衡策略。电池充电过程中,当某节单体电池电压高于所设置的充电检测电压时,启动该电池的电阻放电回路,该电池的充电电流减小,其他电池正常充电;电池静置或放电情况下,实时监测电池组总电压,计算各电池组中单体电池电压的平均电压,判断各电池组平均电压的极差,当电压极差大于所设置的均衡启动电压时,启动均衡电路。对该策略方法基于电动自行车的电池包进行实验,结果表明,电池轻微的不均衡可用充电均衡给所有单体电池均衡,电池单体或电池组严重不均衡时,需先用主动均衡方式进行能量转移,再用被动均衡方式整体调整。实验证明了该均衡策略的可行性,且主被动均衡后的电池电压基本恢复,可正常使用。

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作者信息:

吴  宏,宋春伟,郭永洪

(中国计量大学 机电工程学院,浙江 杭州310018)