混合动力车用电池均衡方案研究

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1  引  言
　　发展清洁能源， 已经成为世界各国应对金融危机和经济衰退的核心战略之一。由于电动汽车在使用中可实现零污染， 因此， 它是解决汽车污染和能源问题的最有效途径。混合动力汽车由于融合了内燃机汽车和电动汽车的优点， 近年来成为世界范围内新型汽车开发的热点。
　　锂离子电池以其优良的性能被认为是电动汽车的理想能源。但混合动力汽车的行驶工况复杂多变， 电池的充放电频繁且极其不规则， 这将使电池寿命受到严重影响。因此， 提出有效的电池控制和管理方法， 延长电池的使用寿命， 成为混合动力车研究和开发的重要课题之一。
　　2  均衡的意义
　　为了达到一定的电压、功率和能量等级， 混合动力车用电池需要串联成组使用。各单体电池在制造、初始容量、电压、内阻以及温度等方面均不完全相同， 在使用过程中， 电荷量低的电池会过早的达到限制电压， 容易造成过充电或者过放电， 而且即便是很小的差异， 在经过一定的循环次数后， 都会变成不可忽视的差异。再者， 锂电池的抗滥用能力较差， 加之应用技术还不完善， 使锂电池滥用几率大大增加，以致影响整组电池的循环寿命。因此在混合动力车工作过程中， 电池间的一致性是决定电池寿命的一个非常重要的因素， 为减小这种不一致性对锂离子电池组的影响， 在电池组的充放电过程中， 增加了均衡电路。
　　3  均衡控制原理
　　3. 1  均衡方式的选择
　　电池的均衡过程实际上是电池荷电状态( SOC )的均衡。对于锂电池来讲， 电池在SOC 高端和低端时电压变化较快， 在中间部分的曲线较平稳， 整个曲线并不成线性。但混合动力车工作时， SOC 的范围约在30% 至70% 之间， 图中此范围内的电压与SOC基本成线性关系， 也就是说在这个区间内电池电压可以很好的反映电池SOC的值， 说明通过电压对电池均衡是混合动力车较理想的均衡方式。
　　如何经济可靠的解决串联电池组电压均衡的问题， 理论上的均衡方法很多。目前的均衡控制电路按能量的消耗情况分为能耗型和非能耗型两大类。
　　能耗型就是在每只单体电池两端并联一个可控电阻， 当电池电压达到或超过限定值时， 电阻导通， 承担一部分充电电流， 使流过电池内部的充电电流减小， 从而维持限制电压。流过电阻的电能以热的形式释放， 故称为能耗型。此种方式结构简单， 成本低。非能耗型电路的耗能比能耗型要小， 但电路结构相对复杂， 成本较高。结合本项目的应用环境， 考虑到混合动力车用电池经常处于不规则的充放电模式下， 并兼顾经济性及车内空间等问题， 这里选用能耗型均衡。
　　3. 2  均衡电路的控制
　　均衡电路结构如图1所示。

图1  电阻放电均衡电路结构图.
　　当均衡电路工作时， 电池监控IC将实时检测各个单体电池电压， 当单体电池不一致电压达到一定值时， 通过控制开关管S 1， S 2，  ， Sn， 来控制所需要的均衡容量。均衡容量与均衡时间和均衡电流有如下关系:

C 为均衡容量， Ie qu为均衡电流， t为均衡时间，其中Iequ =Ud/R， Ud 为单体电压值， R 为放电电阻。
　　通过电阻R 把单体电池中的充电电流进行分流， 电压较高的电池通过电阻R 耗能向电压较低的电池靠拢。在均衡过程中， 均衡电流Iequ并不是恒定的值， 它将随电池端电压的下降而减小。但由于均衡电流较小， 一般在100mA 以内， 因此可以认为Iequ是近似恒定的， 并通过近似计算得到均衡时间。例如， 一块电池需要均衡的容量为0. 4Ah， 均衡放电电阻100Ω， Ud 为4V， 那么均衡时间:

由此可见， 电路的计算和控制较为简单， 不需要复杂的能量存储和转移过程， 且均衡时间容易掌握，具有实际应用价值。
　　4  均衡电路设计
　　对电池进行均衡控制的硬件组成主要有MCU控制单元， 电池监控IC， 均衡电路， 以及电源电路，温度模块， 风扇控制电路等。电路结构图如图2所示， 电池监控IC 采集各单体电池端电压， 并实时向MCU 发送数据。上位机通过CAN 总线与监控IC通信， 将数据实时显示。温度模块采用智能化温度传感器， 它把温度传感器， 外围电路， A /D 转换器，微控制器和接口电路集成到一个芯片中， 对电池进行温度测量、温度控制并与MCU 进行数据通讯。
  

图2  均衡电路硬件结构框图。
　　5  均衡控制策略的制定
　　通过平衡电压来平衡容量的均衡方法在控制时应兼顾以下几点:
　　( 1)均衡放电电阻R 的选取。均衡电路工作时， 能量高的电池会通过放电电阻以热能的形式释放掉， 如果此时电阻温度过高， 可能会造成电路热失控， 存在安全隐患， 因此， 电阻的值不能过小; 另一方面， 均衡电流直接决定了均衡时间， 如果均衡电流过小， 会使均衡时间过长， 达不到均衡要求， 而均衡电流的大小是由放电电阻决定的， 电阻值越大均衡电流越小， 因此， 电阻值又不能过大。综上， 电阻值能否适当选取是均衡效果的关键。
　　( 2)均衡电压阈值( a) 的设定。电压阈值的大小直接决定了均衡电路启动及关闭的时刻， 若电压阈值设的过大， 会导致均衡时间过短， 均衡效果不明显， 达不到要求， 电压阈值设的过小， 则均衡时间过长， 不但白白消耗了能量， 且对电池组各电池有害无益。因此， 需要从电池容量不一致所表现的充放电特征分析， 并结合混合动力车的应用情况来设置均衡阈值。
　　( 3)均衡模块的启动和关闭。在初始上电后，MCU 定时检测电池组各单体电压， 一旦超过阈值则对需要均衡的单体闭合开关， 进行放电， 其余单体的开关断开。之后MCU 会定时判断单体电压， 重新判断是否符合均衡条件。如果单体的电压一致性回到阈值内， 则所有均衡回路的开关管均断开， 均衡终止。
　　6  模拟工况测试
　　为了模拟电池均衡模块在实际车辆运行时的效果， 采用如下测试工况， 并保持室温在10℃ ~ 20℃之间。此工况测试分两个测试程序， 一个是#主放电工况”， 其放电量略多于充电量; 另一个是“主充电工况”， 其充电量略多于放电量， 并确定SOC 波动范围在30% 至80% 之间。
　　实验用电池为锰酸锂电池( LMi nO4 ) ， 实际容量8. 6Ah， 额定电压3. 6V， 内阻3. 7Ω ， 12节串联。
　　均衡前后电池充电曲线如图3 所示， 均衡前电池充电曲线明显不一致， 电池组压差最大值约为200mV， 对应的容量差约为20% 。充电时高容量单体将先达到阈值电压， 使电池的充入容量明显降低，仅为7Ah， 大大降低了电池的利用率。( b) 图为经过35小时均衡测试后充电曲线图， 可以看出各单体间基本恢复一致， 压差不超过10mV， 充入容量扩大到8. 4Ah。并且经过测量， 实验过程中放电电阻温度控制在60℃以内， 不会出现热失控等安全问题。
　　由上述实验可以得到， 此均衡方法可在40小时内达到电池SOC 的平衡。并且电路工作稳定， 满足混合动力车辆行驶要求， 可以有效的防止电池不一致性的扩大， 实现了能量的合理配置。

图3  均衡前后充电曲线对比。
　　7  结束语
　　在均衡模块的硬件设计上充分考虑了测量的精确性， 系统的稳定性和抗干扰能力。在制定均衡策略过程中兼顾了放电电阻的选择、均衡阈值的选定、均衡的启动和停止等方面。经均衡测试证明此电路工作稳定， 可以有效的解决电池不均衡的问题， 提高了整组电池的使用效率， 对混合动力车具有实用性。