集散型鋰離子電池組多路徑主動均衡系統(tǒng)

湖北汽車工業(yè)學(xué)院

張 磊，陳 超，齊 闖，余李揚(yáng)

指導(dǎo)老師：江學(xué)煥，賈 蓉

1 作品簡介

本作品針對電動汽車集散型鋰離子電池組的儲能電源單體在制造過程中因所用材質(zhì)不均，在充放電過程中出現(xiàn)不均衡現(xiàn)象，導(dǎo)致電池組提前老化，嚴(yán)重縮減電池組壽命的問題提出了一種鋰離子電池組多路徑主動均衡方案。

系統(tǒng)主要由總電池組、均衡電源、電池均衡模塊、公共能源通道和電池組均衡決策服務(wù)器組成，如圖1所示。該系統(tǒng)每個子模塊對應(yīng)一個電池小組，每個電池小組對應(yīng)七節(jié)單體電池，可以通過多子模塊串聯(lián)使用，實現(xiàn)電動汽車上百節(jié)串聯(lián)單體電池的均衡，該模塊可以實現(xiàn)電池小組組內(nèi)均衡，也可以通過公共端實現(xiàn)電池小組的組間均衡，最終實現(xiàn)整個電池組任意兩節(jié)電池間的能量交換。該系統(tǒng)不僅沒有凌力爾特均衡方案的高時序要求，也突破了TI均衡方案60 V以下的瓶頸，具有很好的適應(yīng)性和推廣性。系統(tǒng)實物如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

圖2 實物圖

2 工作原理

2.1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)主要由總電池組、均衡電源、電池均衡模塊、公共能源通道和電池組均衡決策服務(wù)器組成。其中電池均衡模塊和電池組均衡決策服務(wù)器是本課題研究的重點。電池均衡模塊主要由反激式DC-DC變換器、矩陣開關(guān)、電壓監(jiān)測、溫度監(jiān)測、電源、CAN接口電路和子控制器模塊組成。

2.2 多路徑均衡控制的基本原理

基于高頻變壓的多路徑能量均衡控制器及DC/DC均衡模塊的基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。該結(jié)構(gòu)由電池小組N、矩陣開關(guān)和高頻變壓器組成，可在一個磁芯上繞制三組線圈組成高頻變壓器，利用PWM控制技術(shù)實現(xiàn)能量在單體電池、電池小組N和公共能量通道間的轉(zhuǎn)移。

各部分的說明如下:

（1）電池小組：每個電池小組由7個單體電池串聯(lián)而成，在實驗時，為了能實現(xiàn)快速充放電，使用超級電容代替鋰電池。

（2）矩陣開關(guān)：矩陣開關(guān)可選需要進(jìn)行能量轉(zhuǎn)移的單體電池。矩陣開關(guān)的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖3 基于高頻變壓器的電池能量均衡結(jié)構(gòu)

圖4 矩陣開關(guān)的結(jié)構(gòu)

（3）高頻變壓器：由高頻變壓器及其外圍電路組成的反激式開關(guān)電源電路負(fù)責(zé)能量的轉(zhuǎn)移。通過高頻變壓器可以實現(xiàn)如下六種方向的能量轉(zhuǎn)移：

①可以將電池小組的能量轉(zhuǎn)移到每個單體電池中；

②可以將單體電池中的能量轉(zhuǎn)移到電池小組中；

③可以將電池小組公共端的能量轉(zhuǎn)移到電池小組中；

④可以將電池小組中的能量轉(zhuǎn)移到電池小組公共端；

⑤可以將電池小組公共端的能量轉(zhuǎn)移到單體電池中；

⑥可以將單體電池的能量轉(zhuǎn)移到電池小組公共端。

2.3 能量轉(zhuǎn)移雙閉環(huán)控制原理

為了滿足電池在能量轉(zhuǎn)移過程中對充放電特性的需求，要求變換器能夠?qū)崿F(xiàn)電池的恒流充電、恒壓充電和恒流放電。基于平均電流模式的DC/DC變換器能夠滿足這一要求，其控制框圖如圖5所示。

圖5 變換器控制框圖

2.4 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)工作流程如下：

（1）各電池均衡模塊將監(jiān)測其對應(yīng)的電池組的單體電池電壓、電池組溫度等信息通過CAN接口發(fā)送給電池組均衡決策服務(wù)器；

（2）電池組均衡決策服務(wù)器對接收的各電池均衡模塊的信息進(jìn)行匯總，得到總電池組各電池小組的溫度和各電池小組的電壓等信息，結(jié)合各單體電池和總電池組自身的信息，經(jīng)判斷，電池組均衡決策服務(wù)器按照特定的均衡算法模型向各電池均衡模塊發(fā)送均衡命令，控制電池均衡模塊的均衡電流、均衡時間和能量流動方式。

（3）當(dāng)均衡模塊接收到電池均衡決策服務(wù)器發(fā)送的均衡指令后，按照一定的均衡策略進(jìn)行均衡，同時繼續(xù)監(jiān)測本模塊對應(yīng)的單體電池和電池塊的信息，出現(xiàn)異常隨時中斷，并上報給決策服務(wù)器。周而復(fù)始，直到總電池組達(dá)到完全均衡狀態(tài)。

3 創(chuàng)新點

（1）高效率均衡控制

均衡系統(tǒng)采用高頻變壓器進(jìn)行反激式DC-DC變換，能量傳輸效率可達(dá)70%～80%，均衡電路的能量傳遞路徑短，均衡電流的傳輸節(jié)點少，更進(jìn)一步降低了能量在傳輸過程中的損耗，多子模塊同時均衡，均衡效率高。

（2）多路徑均衡控制

均衡系統(tǒng)采用三繞組高頻變壓器，以及同名端交換技術(shù)實現(xiàn)六路徑均衡，控制靈活，可以充分發(fā)揮軟件控制的靈活性以及均衡的高效性。

（3）均衡系統(tǒng)多子模塊分級優(yōu)化

均衡系統(tǒng)采用一個決策服務(wù)器控制多個子模塊的形式，可以實現(xiàn)上百節(jié)串聯(lián)鋰電池組的均衡，同時不會因為子模塊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的瓶頸，也無需凌力爾特方案的高時序要求，控制更簡單，更易推廣，具有良好的移植性。

4 市場前景

為了解決能源危機(jī)和環(huán)境污染問題，各國都在加大對電動汽車的科研投入，這不僅促進(jìn)了電動汽車的快速發(fā)展，還間接促進(jìn)了鋰電池組的發(fā)展。鋰電池以其優(yōu)越的性能成為電動汽車動力電池的首選，但對鋰電池管理系統(tǒng)也提出了更高的要求。為了獲得較高的電壓和功率，需要將大量鋰電池單體串并連接。由于生產(chǎn)工藝的限制，在串聯(lián)時單體間存在初始容量、內(nèi)阻、電壓等不一致的問題，在使用過程中會導(dǎo)致電池組利用率降低、使用壽命縮短甚至引發(fā)安全事故，這些問題已成為電動汽車技術(shù)發(fā)展的瓶頸。因此，設(shè)計一套理想的鋰電池均衡系統(tǒng)十分必要。

根據(jù)國家統(tǒng)計局公布的最新數(shù)據(jù)顯示，2014年第一季度，全國鋰電池行業(yè)累計完成產(chǎn)量11.93億，同比增長13.75%。2013年，我國鋰電池總產(chǎn)量達(dá)337億瓦時，同比增長14%；銷售收入超過650億元，同比增長5%。其中，動力型鋰電池市場增長30%，銷售收入達(dá)40億元。由此可知鋰電池近年來在新能源電動車方面愈發(fā)被重視，市場占有率節(jié)節(jié)升高。然而，目前我國新能源電動車的整體水平還有待提高，特別是在鋰電池組電池的均衡系統(tǒng)方面，缺乏創(chuàng)新能力和核心技術(shù)，所以集散型鋰離子電池組均衡系統(tǒng)具有廣闊的發(fā)展前景。