采用容性電路的BMS主動均衡方法

何志剛，鄭亞峰，孫文凱，陳上偉

(1.江蘇大學汽車與交通工程學院，江蘇鎮江 212013; 2.山東新大洋電動車有限公司，山東臨沂 276000)

采用容性電路的BMS主動均衡方法

何志剛1，鄭亞峰1，孫文凱2，陳上偉1

(1.江蘇大學汽車與交通工程學院，江蘇鎮江 212013; 2.山東新大洋電動車有限公司，山東臨沂 276000)

針對目前電動汽車用動力電池一致性差，需對電池組中各單體電池間進行均衡控制的問題，在分析現有均衡方案后提出了基于容性電路的主動均衡方法。以國內某電動汽車上使用的電池為例，在Matlab/Simulink軟件中建立主動均衡模型，仿真效果理想。

容性電路;主動均衡;模擬仿真

單個電池的能量無法驅動汽車，需要通過將多個單體電池串聯組成電池組，存儲相當的能量來驅動車輛。然而制造工藝和使用條件的限制導致電池組中各個單體特性有差異。這些差異通過電壓差、容量差等形式表現出來，并在電池組使用過程中進一步加大，長此以往，將影響電池組的整體使用性能，甚至造成電池組的損壞。為減小電池組中各單體間的差異，保證電池組的正常使用，本文提出了一種基于容性電路的主動均衡策略。

1 本文方法的提出

均衡方案根據能量流動的方式主要分為被動均衡和主動均衡。被動均衡方式由于能量消耗大不適合在電動汽車上使用。文獻［1-3］提出了幾種具有代表性的主動均衡方案，但均沒有成熟的應用經驗，且試驗效果不能完全令人滿意。文獻［4］雖然同時應用電感和電容參與能量轉移，但電容、電感使用數量過多，且能量只能在相鄰的單體間傳遞，均衡過程中能量消耗較大。本文在結合已有均衡方案優勢的基礎上，提出一種單電容、電感同時參與均衡的方式。該方案控制簡單且能量不必在電池單體間逐個傳遞，降低了能量損耗，實現了真正的穩定均衡。

2 電路實現原理及策略

本文設計每節電池兩端分別通過一個開關管連接在電容電感的兩端。每個單體電池的正負極兩端的開關管由同一個PWM脈沖控制開斷，單片機發送PWM波控制開關管的通斷，原理見圖1。

圖1 均衡電路設計原理

圖1中:Q1、Q2由同一個PWM控制開斷，Q3，Q4由同一個PWM控制開斷。假定充放電過程中1號電池為最高電壓單體電池，24號電池為最低電壓單體電池。當均衡功能開啟時，Q1，Q2同時導通，1號電池對電容充電，電感起緩沖電流防止電流過大的作用;充電結束后，Q1，Q2同時關斷，Q47，Q48同時打開，電容對24號電池充電，從而實現能量由高往低的轉移。

均衡動作的命令由單片機發出，符合電動汽車行業標準［5］要求。單體電池電壓的采集誤差為滿量程的0.5%。本文采用的電池為3.65 V，10 Ah的錳酸鋰電池，測量誤差ΔV=3.65× 0.5%=18 mV。因此，當壓差在20 mV以內時，為防止因采集誤差造成誤均衡，設定均衡的上下限分別為40，20 mV。當采集模塊監測到24節電池組中任意2節電池單體壓差達到40 mV時，開啟相應的電池單體均衡模塊，以4 A左右的電流進行均衡。均衡末期，當2節電池的電壓差小于設定值20 mV時，均衡模塊關閉，實現閉環控制。均衡控制流程如圖2所示。

圖2 均衡控制流程

3 仿真驗證

3.1 仿真模型建立

本文基于Matlab/Simulink建立仿真模型，以2 節3.65 V，10 Ah錳酸鋰電池作為仿真對象，模擬驗證1～24號電池的均衡過程。模型中含有5個子模塊，可實現硬件電路中單片機的采集、判斷、控制以及分析計算等相關的功能。B1，B2為2個電池模塊，用于模擬均衡電路中的2個均衡對象。均衡仿真模型如圖3所示。

對上述模型詳細說明如下:模塊1為判別模塊，仿真中將2節電池電壓信息輸入判別模塊;當滿足均衡開啟條件即壓差大于40 mV時，均衡模塊自動開啟，設定20 mV為均衡目標;當壓差小于20mV時，均衡停止。模塊1如圖4所示。

圖3 均衡仿真模型

圖4 判別模塊

模塊2用于產生2組相位相反的PWM波，分別用于控制MOSFET1、3和MOSFET2、4的開通與斷開，當均衡完成后自動停止發送PWM波。模塊3用于判別均衡方向，在準確自動地識別出高單體電池和低單體電池后，讓高電壓單體電池給低電壓單體電池充電，模塊3如圖5所示。

如表1所示，恩施州整體旅游接待人次、旅游綜合收入、旅行社個數、A級景區個數、五星級農家樂以及星級飯店數都是呈現上升趨勢，而且增長明顯。恩施州旅游接待人次從2012年的21 985 802人次上升到2016年的43 663 382人次，5年間增長了約98.6%。旅游綜合收入增長更加顯著，從2012年的1 195 524萬元增長至2016年的3 004 847萬元，增長率達到151.34%。到2016年底，恩施州高級旅游景點數量和旅游業綜合排名均進入“全省四強”。旅游業具有很大的發展潛力。

圖5 判別均衡方向模塊

模塊4用于測量流經電容電感的電流以及電容兩端的電壓。B1，B2為使用的電池模型，電池的電動勢用受控恒壓源來表示，通過給受控恒壓源信號來調整電動勢的大小，電池的充、放電電量通過對電流積分的累加來模擬［6］。Fcn函數為通過電池參數計算電池的輸出電壓。電池仿真模型如圖6所示。

圖6 電池仿真模型

模型中電池輸出電壓為

式(1)中:E為開路電壓;E0為端電壓;K為極化電壓;Q為電池容量;A為指數電壓;B為指數容量。

本文的電池模型相關參數由臺架實測的電池放電曲線推導而來。圖7所示為某錳酸鋰放電測試試驗在不同的放電倍率下電池的放電曲線。

圖7 不同放電倍率放電曲線

由圖7中數據經擬合得出仿真參數為:E0= 3.869 9，R=0.003，K=0.020 913，A=0.203 5，B=3.75。將參數代入式(1)可以設置仿真開始時的初始電池電壓。

3.2 模型參數確定及損耗分析

方案中采用電容作為儲能元件，電感作為緩沖電流的器件，并以效率、速度作為評判均衡模型效果的兩大標準。由于采用的電池為10 Ah的錳酸鋰電池，為防止均衡電流過大對電池產生損害，設定最大目標均衡電流為0.4 C。電路中選定的電容值為470 μF，電感不作為儲能元件，選定的值較小，約2.2 μH。開關切換時間是關鍵因素，如果該時間過短，則電容充電不足，不能進行能量的傳遞;若時間過長，則影響均衡速度。在RLC電路中，由公式推導得出電路屬性:

當式(2)等于零時，電路發生諧振現象，f稱為諧振頻率，此時電路阻抗達到最小，電流達到最大值，代入電容電感值計算可得f=4.952 kHz，開關周期為:T=2.02╳10-4;當式(2)小于零時，電路為容性電路，電路時間常數τ=RC。MOSFET管的開關周期應滿足:

式(3)中:R為電路中MOSFET導通狀態時的等效電阻;C為RLC電路中的電容值。

本文以z4468為例。導通電阻為15 mΩ，每個回路中有2個MOS管，代入式(2)計算得出T大于等于1.551×10-4s。因本文是采用容性電路建立的均衡模型，基于以上計算，選取MOSFET管的開關頻率為5 kHz。此時，電路為容性電路且開關頻率接近諧振頻率，電路損耗較低。電池內阻和MOSFET損耗是電路損耗的主要來源。電池內阻損耗屬于不可控因素。MOSFET的損耗主要分為導通損耗和開關損耗［7］，可分別計算得出。

導通損耗:

其中:Id為MOSFET管導通時的電流;Rds為MOSFET的導通內阻。

其中:fs為MOSFET開關的頻率;VDD為漏極電源電壓;ID為漏極電流;T1為MOSFET管開通時間，T2為關斷時間。

MOSFET的開關損耗與開關頻率成正比，本文采用的頻率為5 kHz。根據文獻［8-9］可知:在此頻率下MOSFET的損耗主要來自導通損耗。模型中模塊5用于測量MOSFET管導通過程中產生的損耗。

3.3 仿真結果與分析

為防止電感工作在滿負荷狀態，本文設定開關管的占空比略小于50%。由于電路中損耗主要來自MOSFET管在導通時產生的熱量，且4個MOSFET管的工作狀況相同，故設置一個監視模塊觀測其中一個MOSFET管工作時的發熱情況，仿真結果見圖8。

圖8 2個單體電池兩端的電壓

由圖8可以看出:在預設2節單體電池的端電壓分別為4.0 V和3.9 V時，滿足均衡開啟條件，均衡模塊開啟，均衡效果明顯，在700 s的時間內完成壓差為100 mV的均衡。由圖9可以看出:一個MOSFET管在整個均衡過程中的損耗，峰值損耗功率在0.25 W左右。結合本文所做的損耗分析模型并對電路中各部分電流電壓的乘積進行積分可得出電路中各個部分的能量流動情況。以0.1 s內能量轉化情況為例，計算結果如表1所示。

圖9 MOSFET管的功率損耗

表1 均衡電路各部分能量值

由表1結果可知:均衡電路的能量轉化效率高達97.97%;MOSFET的損耗占電路損耗比重最大，達60%;其余損耗來自電池內阻以及電容電感在能量轉換過程中產生的損耗。綜上可得:此均衡電路均衡效果較好，效率較高。在均衡末期，當2塊電池的電壓差不大于20 mV時，均衡模塊關閉，實現了閉環控制。

4 結束語

本文針對動力鋰離子電池組一致性問題提出了一種經濟、高效的均衡方案，并提出以效率、速度作為評判均衡電路效果的兩大標準。根據設計原理搭建了Simulink模型進行仿真，仿真均衡效果理想，為電池成組提供了無損均衡的充放電解決方案。由于電池仿真模型來源于實車電池包單體電芯，因此本文所提出的電容電感均衡方案具有較高的理論參考價值及實際指導意義。

［1］李莉.動力電池均衡系統的優化［D］.成都:電子科技大學，2012.

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［9］楊興，賈振元，武丹，等.基于功率MOSFET的超磁致伸縮執行器驅動電源［J］.壓電與聲光，2001(1):33 -36.

(責任編輯 劉舸)

Active Equalization Scheme in BMS Based on Capacitor Circuit

HE Zhi-gang1，ZHENG Ya-feng1，SUN Wen-kai2，CHEN Shang-wei1
(1.College of Automobile and Traffic Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang 212013，China; 2.Shandong Xindayang Electric Vehicle Co.Ltd.，Linyi 276000，China)

According to the electric vehicle power battery un-consistent problem，battery management system is needed to settle the un-consistent problem of batteries in the electric vehicle.Based on the analysis of existing equalization scheme，this paper introduced an active equalization method with capacitive circuit.One kind of battery used in a domestic electric vehicle is set as an example and the active equilibrium model is established in matlab/Simulink software.The simulate results show that this scheme meets the expected requirement.

capacitive circuit;active equilibrium;simulation

U469.72

A

1674-8425(2014)08-0013-05

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2014.08.003

2014-02-17

何志剛(1975—)，男，博士，副教授，碩士生導師，主要從事電動汽車方面研究。

何志剛，鄭亞峰，孫文凱，等.采用容性電路的BMS主動均衡方法［J］.重慶理工大學學報:自然科學版，2014(8):13-17.

format:HE Zhi-gang，ZHENG Ya-feng，SUN Wen-kai，et al.Active Equalization Scheme in BMS Based on Capacitor Circuit［J］.Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science，2014(8):13-17.