鋰電池組串聯均衡系統研究

陳立劍

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鋰電池組串聯均衡系統研究

陳立劍

（中國船級社武漢規范研究所，武漢 430022）

鋰電池組串聯使用的安全性問題是其在船舶上是否能應用的關鍵技術之一，鋰電池組的不一致性會使電池組中串聯充放電時個別電池提前損壞，壽命大大縮短，嚴重時會出現爆炸等安全問題。本文提出了一種無損的能量轉移式電池組均衡方案，并從實驗上進行了驗證，證明了該方案的可行性和先進性。

串聯電池組測量單元均衡

0 引言

在船舶的應用中，電池組的串并聯是一種非常普遍的方法，能夠得到較高的電壓和容量以滿足供電的需求。CCS鋼制海船入級規范和內河船舶入級規范都提到目前船用蓄電池應為酸性鉛板型或堿性鎳板型。其他類型的船用電池使用還需要經過認可。鋰電池由于其能量密度很高且采用有機溶劑，使得與常用的鉛酸電池相比，鋰電池在濫用條件下(如高溫、過流、過充放等)會導致熱穩定性變差，容易損壞電池，甚至出現起火爆炸等情況[1]-[2]。因此鋰電池如果串聯使用，所帶來的一個問題就是在充放電的過程中，由于單體電池的差異帶來的鋰電池個體之間的均衡問題。這些單體電池之間的差異有可能出廠時就存在，并隨著使用過程中逐漸變化而惡化，因此需要監測保護電路來輔助[3]。

因此本文設計一種均衡系統，它對每一個電池的狀態的運行過程進行監視，包括電池的電壓、電流、溫度等信息，判斷電池組運行是否正常，并且對電池的異常狀態進行處理，同時將充電控制集成到均衡系統中，能更合理的保護和控制電池，使電池的容量得到充分的利用，有利于在一定程度上延長電池的使用壽命，最大程度的避免可能出現的過壓、過流、過溫等狀態對電池造成的物理性傷害，保障電池的安全運行。

1 均衡系統的主要構成

均衡系統由測量單元和均衡單元構成，其中測量單元與均衡單元可與電池配裝，用于在串聯電池組由主充電機充電時，與主充電機配合使用，監控充電電池組的參數，在需要時對異常電池進行處理。以2并2串組成的電池組（包括1#電池和2#電池）為例，均衡系統的構成和連接入圖1。

測量單元主要針對以下幾種異常狀態進行保護：過放電狀態、過充電狀態、過流、過溫狀態。

常用的鋰電池組主充電機的充電過程一般可分為兩個階段：恒流充電和恒壓充電。當電池組總電壓距充電截止閾值較多時，一般采用恒流充電，充電電流在0.2-1.0 A之間，電池組電壓隨充電進行上升；當達到某接近充電截止閾值時，則轉為恒壓充電，此階段保證電池組精確達到允許充電電壓值，達到充電電壓截止閾值則充電完成。[4]鋰電池組串聯充電過程中，特性差的單體電池其端電壓上升比正常電池快，則有可能在整個串聯電池組的總端電壓到達恒壓充電之前就已經超過單節電池的終止電壓，因此有發生過充的可能；若此時終止主充電機充電，則整個電池組會由于提前結束了充電導致整體可用容量的下降。如果串聯電池組中存在多個特性變差的電池，那么整個電池組的實際可用容量則下降更多，降低了電池組的容量利用率。在大容量電池組的應用中，圖1的均衡系統在每個電池兩端使用了帶有隔離型直流/直流變換器的均衡單元來實現單體電池之間的均衡，對電壓低于整組電池平均值一定量的單體電池，從整個電池組取得能量對該單體電池進行輔助充電，提高各個單體電池之間的電壓一致性，從而增加串聯電池組的容量利用率。

圖1 均衡系統的原理框圖

2 測量單元的設計

測量單元在設計上應盡量使系統結構先進、合理、可擴展。系統功能上要完備：各種參數測量精度高、EMC合格、可靠性高等。根據這一指導思想，電池的測量單元具體功能如下：電池信息實時采集，包括單體電壓、溫度、電池組總電壓、總充放電電流；存儲重要的電池信息、重要數據和系統狀態信息；提供數據傳送的接口，包括同上位機通訊和同船舶的其他系統（如監控系統、報警系統）通訊以便于船員對電池情況進行了解和控制；應具備抗干擾性和良好的人機交互功能；在充、放電過程中對單體電池進行診斷和相應保護。

測量單元基于C8051單片機控制技術和CAN通訊技術構造，采用分布式結構，按積木化設計各個功能模塊。每個模塊可單獨布置在船艙內，整個測量單元按功能劃分，主要由以下幾個部分構成，即中央處理模塊、數據采集模塊、故障診斷模塊、外部通訊接口模塊和HMI控制模塊。管理單元的框圖見圖2。

圖2 測量單元的主要構成框圖

測量單元包含多個數據采集模塊，它們都通過CAN總線與中央處理模塊相連，實現分布式測量。為了同船舶的其他系統通訊且不干擾電池均衡系統內部各模塊的通訊，系統采用了另一條獨立的CAN總線，這里我們稱之為外部CAN總線。外部通訊接口模塊在這里同時是兩個CAN網絡的節點，起到網關的作用。

數據采集模塊也采用C8051f040作為其控制中心，利用其內部集成的12位A/D直接對單體電池端電壓、溫度模擬信號進行測量，將采集數據發送到內部CAN總線。

對于串聯成組的鋰電池組，在對單體電池端電壓進行測量時，就存在共模電壓過高的問題。在數據采集模塊中，對單節電池電壓測量采用AD629，AD629是AD公司新一代運算放大器，它最大的特點是它可以在某些情況下代替隔離放大器，在雙電源供電時AD629輸入端可以耐高達500 V的共模電壓。在每個數據采集模塊中使用了10片AD629，每一片AD629的兩個輸入端分別接對應電池的正負極，在AD629的輸出端得到此節電池電壓，這個電壓是對地電壓，從而解決了共模電壓高的問題。

數據采集模塊中對單體電池溫度的測量采用了Dallas公司提供的數字式溫度傳感器芯片DS18B20。該溫度計采用了與眾不同的原理，它利用溫敏振蕩器的頻率隨溫度變化的關系，通過對振蕩周期的計數來實現溫度測量的。為了擴大測溫范圍和提高分辨率，使用了一個低溫系數振蕩器和一個高溫系數振蕩器分別進行計數，并采用了非線性累加器等電路來改善線性。

3 均衡單元的設計

在滿足電池組技術指標要求的前提下，研制成了基于隔離型直流/直流開關電源的串聯電池組均衡系統。均衡系統為每個單體電池配置一塊均衡單元，如圖3。

圖3 均衡單元主電路原理圖

每個均衡單元采用一個隔離型直流/直流開關電源作為主要部件，如圖3的均衡單元采用了一個正激變換器構成均衡輔助充電的主電路，根據電池的容量和電壓，變換器的種類可以選擇其他類型。1－隔離型的PWM開關式直流－直流變換器（本圖例為一個正激變換器），用于從整個電池組兩端取得能量對落后的單體電池進行補充；2－測量電阻或傳感器，用于測量補充的電流的實際值；3－恒流控制單元，如圖是一個簡單的恒流閉環控制的示意圖，根據實際的需要，還可以擴展為雙環的閉環控制，實現功能：在未達到設計電壓時恒流工作，達到設計電壓時恒壓工作的功能；4－驅動單元，由于控制器放在正激變換器的副端，所以控制原邊的功率開關管的開通和關斷需要一個變壓器進行隔離控制；5－隔離控制單元，該單元主要用于接收測量單元給出的信號，當測量單元控制器認為此時應該對該單體電池補充充電，則給出一個低電平信號，均衡單元開始工作。整體功能如下：主電路的輸出端串聯一個測量電阻，測量輸出的電流并轉化為電壓值輸入至控制環路；控制環路有一個運放對輸出電流的電壓值進行放大，輸入至誤差放大器，誤差放大器接成PI環進行調節，輸出至PWM比較器，控制環路根據輸出電流采樣電壓值調節PWM脈沖寬度，從而調節輸出電流值與電流給定相等，實現對單體電池的恒流充電；PWM脈沖信號經過一個由脈沖變壓器構成的隔離驅動部分，對正激電路原邊的開關管進行驅動控制；同時在控制環路中增加由I/O端口控制的MOS管，用于接測量單元的數字信號，實現對輔助充電電路的起停控制。

均衡單元采用隔離型開關電源結構，有利于實現串聯電池組對電壓電池落后于整體平均電壓的電池進行電量的補充，它由測量單元通過I/O端口實現起/停控制。具體的，測量單元實時測量串聯電池組中每個單體電池的電壓，當發現由單體電池的電壓落后于電池組平均電壓時（這一比較過程也可由均衡單元自己通過電壓比較器來完成），通過I/O給出低電平信號，均衡單元開始工作為落后的電池進行補充充電，實現串聯電池組電池的一致化。MOS管的開關頻率可以達到100 kHz，可大幅縮減隔離變壓器體積和成本，適宜船用等空間緊張等環境。均衡單元對單體電池采用恒電流充電模式，可與主充電機同時進行充電作業而不會互相干擾。

4 試驗驗證

當有任一單體電池充電超過4.00 V時，關閉主充電機，由電池組測量單元自動將電池繼續均衡直至單體電池電壓值之差不超過30 mV。

圖4 電池組電壓曲線

將主充電機、鋰電池組和均衡系統按圖1連接線路并接上電源，對電池組進行均衡系統實驗。首先啟動測量單元，測量單元自動判斷鋰電池組是否需要充電，如需要充電則自動啟動主充電機，監控各個單體電池電壓與電池組平均電壓值的差值，如需要均衡則自動啟動對應均衡單元。試驗人員每隔10～20 min記錄一次當前各個單體電池電壓值。根據試驗數據，我們繪制了通過電池均衡系統對電池組在充電過程2串2并電池組電壓曲線，見圖4。試驗中我們通過對電池組放電人為的使得電池組內電壓的不均衡，其中1＃電池初始電壓為3.1996 V，2＃電池初始電壓為3.4746 V，初始狀態電壓差值約275 mV。在主充電機進行0.1C充電過程中通過均衡系統的不斷監測，對落后電池不斷的進行采用輔助充電。根據試驗結果，在整組電池充電總時間約1/3的時刻，1＃與2＃電池電壓基本均衡，之后電池組電壓差不超過5 mV。采用均衡系統后，在足夠的調整時間內，可使得串聯充電的鋰電池組均衡性僅取決于測量單元本身的電壓采樣精度。可以看出該均衡方案在實現中是可行的。

5 結束語

小容量鋰電池在民用領域等方面獲得了廣泛的應用，而中、大容量的安全問題一直備受關注，因此在船舶應用中受到了限制。組合的電池組如果得不到外部監測保護的精確均衡控制，對單體電池而言，無異于濫用從而引發安全事故。根據設計和實驗，本文提供了一種適用于串聯充電的鋰電池組各單體電池電量均衡的一種方案，并基于分析和試驗驗證了該方案中的有效性和實用性，也為后續的應用提供了一個新思路。同樣還必須指出，這類方案的設計思路其實還有很多，例如將均衡單元做成能量可雙向流動的，這樣可以對電壓低的單體電池補充充電，而對電壓高的單體電池進行放電，充電的來源和放電的去向都是電池組，這同樣也能達到均衡的效果而且也不帶來除轉換損耗之外的損耗，都可以作為今后研究的方向之一。

[1] 麻有良, 陳世全. 鉛酸電池的不一致性與均衡充電的研究[J]. 武漢科技大學學報, 2001, 24(1): 48-51.

[2] 劉春梅, 朱世寧. 汽車動力鉛酸電池的充放電特性及均衡管理技術的研究[J]. 柳州職業技術學院學報, 2005, 5(4): 94-98.

[3] 王震坡, 孫逢春, 張承寧. 電動汽車動力蓄電池組不一致性統計分析[J]. 電源技術, 2003, 27(5): 438-441.

[4] 郭亮. 動力用鉛酸蓄電池電極充電性能研究[J]. 電源技術, 2003, 27(4): 370-380.

Research on the Equilibrium Management of Lithium Batteries Connected in Series

Chen Lijian

(Wuhan Rule and Regulation Research Institute, China Classification Society, Wuhan 430022, China)

TM31

A

1003-4862（2013）04-0054-04

2012-08-30

陳立劍（1982-），男，碩士。研究方向：船舶電氣。