動(dòng)力鋰電池的混合均衡控制與能量管理

動(dòng)力鋰電池的混合均衡控制與能量管理范輝;周晶晶;姚剛;湯天浩【摘要】Inordertosolvetheinconsistencybetweenthesinglecellsoflithiumbatteries,thebatterychargecharacteristics,batterydischargecharacteristicsandtheinconsistenciescharacteristicsofthebatterystringwereanalyzed.AhybridactivebalancecontrolmethodcombinedwithabalancingtransformerandabalancinginductanceusingBQ78PL116controllerswasproposedonthebasisofexistingbalancetopologies.Thehardwareandsoftwareofthesystemweredesignedincludingacircuitforthebatteryequalizationbasedonthebalancingtransformer,amastercontrolsystemandthecorrespondingsoftwareandcommunicationprogramstobuildabatterymanagementsystem.Theexperimentresultscertificatethatthemixedactivebalancehasfasterbalancespeedandhigherefficiency.%針對(duì)動(dòng)力鋰電池的電壓不平衡問(wèn)題，分析了單體鋰電池的充放電特性以及電池組串聯(lián)的不一致性,在現(xiàn)有鋰電池組均衡拓?fù)涞幕A(chǔ)上,提出了一種將變壓器均衡電路和專用芯片BQ78PL116控制的電感均衡電路相結(jié)合的混合主動(dòng)均衡策略,設(shè)計(jì)了變壓器均衡電路,開(kāi)發(fā)了主控系統(tǒng)軟件模塊以及主控與專用芯片通信程序等，構(gòu)成一個(gè)具有電池基本信息監(jiān)控LCD顯示、電池保護(hù)以及不一致均衡等功能的電池管理系統(tǒng).通過(guò)在靜止、放電以及充電狀態(tài)下由變壓器均衡和電感均衡構(gòu)成的混合主動(dòng)均衡法與純電感均衡法的比對(duì)實(shí)驗(yàn),證明了混合主動(dòng)均衡法在均衡調(diào)節(jié)速度與均衡效率方面的優(yōu)勢(shì).期刊名稱】《上海理工大學(xué)學(xué)報(bào)》年(卷),期】2018(040)002【總頁(yè)數(shù)】10頁(yè)(P191-200)【關(guān)鍵詞】鋰電池;變壓器均衡;電感均衡;混合主動(dòng)均衡控制【作者】范輝;周晶晶;姚剛;湯天浩【作者單位】上海電機(jī)學(xué)院電氣工程學(xué)院,上海201306;上海海事大學(xué)物流工程學(xué)院,上海201306;上海海事大學(xué)物流工程學(xué)院,上海201306;上海海事大學(xué)物流工程學(xué)院,上海201306【正文語(yǔ)種】中文【中圖分類】TM912.9目前電動(dòng)汽車需要電池作為動(dòng)力或儲(chǔ)能裝置。由于鋰電池具有能量密度高、自放電率低、污染小及循環(huán)壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為電動(dòng)汽車的首選動(dòng)力源［1］。在實(shí)際應(yīng)用中，為了獲得足夠大的電壓，往往將多個(gè)單體電池串聯(lián)成組使用。由于單體電池之間存在不一致性現(xiàn)象，可能造成單體電池的過(guò)充、過(guò)放以及電池組存儲(chǔ)容量下降的問(wèn)題［2］，因此，鋰電池的均衡控制成為研究的熱點(diǎn)問(wèn)題［3］?，F(xiàn)已有很多的電荷均衡方案和電路［4-6］，主要分為兩類：能耗型和非能耗型。在這些方案中，可采用電感、電容或變壓器作為能量轉(zhuǎn)換和緩沖的器件。電容均衡法是利用電容作為能量轉(zhuǎn)移緩沖，結(jié)合開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)電池之間能量的轉(zhuǎn)移，這種方法控制簡(jiǎn)單，但均衡效率低、能耗高［7-8］。電感均衡是采用電感作為能量轉(zhuǎn)移存儲(chǔ)器，也稱相鄰電池之間的均衡，具有能耗小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單及效率高等特點(diǎn)［9］，但是，由于是基于相鄰電池能量的均衡，所以，當(dāng)電池?cái)?shù)量比較多的時(shí)候，或者需要均衡的電池相距較遠(yuǎn)時(shí)，均衡時(shí)間長(zhǎng)、效率低。針對(duì)當(dāng)前均衡電路存在的問(wèn)題，本文提出了一種混合主動(dòng)均衡法，結(jié)合變壓器均衡法以及電感均衡法，將串聯(lián)電池組中一定數(shù)量的單體電池打包，電池包內(nèi)采用電感均衡的方式，并在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于2812DSP的主控制器、SMBus通信以及串口通信、LCD顯示電路，開(kāi)發(fā)了上位機(jī)監(jiān)控軟件，構(gòu)建了一個(gè)均衡效率高、均衡時(shí)間短、電池電壓、電流、SoC以及溫度監(jiān)控保護(hù)的鋰電池電能管理系統(tǒng)[10-12]?；旌现鲃?dòng)均衡電路結(jié)構(gòu)混合主動(dòng)均衡法的基本原理如圖1所示，PACK是電池包，B為電池單體，T為變壓器，L為電感，S為開(kāi)關(guān)，D為續(xù)流二極管，Ct為變壓器側(cè)電容，C為電容，R為電阻。當(dāng)包與包的電壓不一致、相差余度較大時(shí)，開(kāi)啟變壓器均衡，用以包與包的能量均衡，包內(nèi)部能量的不一致再由電感均衡法均衡，最終實(shí)現(xiàn)所有單體電池電壓的一致，包內(nèi)均衡與包包均衡可以同時(shí)工作，不相沖突。圖1混合主動(dòng)均衡電路的基本結(jié)構(gòu)Fig.1Basicstructureofthehybridactivebalancecircuit在圖1中，以8個(gè)鋰電池串聯(lián)的電池組為例，將其中1~4號(hào)電池打包為PACK1,5~8號(hào)電池打包為PACK2。PACK1與PACK2內(nèi)部分別采用電感均衡，PACK1與PACK2采用變壓器均衡。圖1是基本情況，每個(gè)包內(nèi)可以根據(jù)實(shí)際情況擴(kuò)展。采用TI公司電感均衡的專用芯片BQ78PL116，最多能控制16個(gè)電池的均衡。包與包之間采用BQ76PL102進(jìn)行變壓器均衡。因單電感均衡在電池組中需要均衡的電池相距較遠(yuǎn)的情況下，均衡時(shí)間長(zhǎng)、效率低，為此，設(shè)置均衡最小差異為5mV?？紤]包內(nèi)允許的整體差異為5nmV,n為包內(nèi)單體電池個(gè)數(shù)。當(dāng)包與包之間的差異大于包內(nèi)整體差異時(shí)，啟動(dòng)變壓器均衡；否則，只啟動(dòng)包內(nèi)電感均衡。1.1電感均衡硬件電路電感均衡電路是實(shí)現(xiàn)電池包內(nèi)鋰電池均衡的基礎(chǔ)，由兩部分構(gòu)成：第一部分為TI的專用電池控制芯片BQ78PL116通過(guò)PoweLAN通信結(jié)合BQ76PL102實(shí)現(xiàn)電池的信息采集、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)以及電池組保護(hù)等功能；第二部分為電感均衡拓?fù)潆娐?。BQ78PL116可以管理3~16個(gè)串聯(lián)鋰電池，當(dāng)管理的個(gè)數(shù)超過(guò)4個(gè)時(shí)，需要使用BQ76PL102級(jí)聯(lián)通過(guò)PowerLAN的方式實(shí)現(xiàn)管理。BQ78PL116采用獨(dú)立的檢測(cè)電池的關(guān)鍵參數(shù)，如電池電壓、電流、溫度及電池組SoC等。結(jié)合電感均衡法的Powerpump技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)高效的電池電荷轉(zhuǎn)移，提高電池組使用壽命與續(xù)航能力。除了對(duì)電池信息的精確監(jiān)控功能外，該芯片還具有二級(jí)電池保護(hù)功能，實(shí)現(xiàn)電池的單體電池的欠壓過(guò)壓保護(hù)、電池組的欠壓過(guò)壓保護(hù)、過(guò)流保護(hù)及過(guò)溫度保護(hù)等，能夠在檢測(cè)到異常時(shí)，斷開(kāi)電路，實(shí)現(xiàn)電路的保護(hù)。另外，該芯片可以將這些數(shù)據(jù)通過(guò)SMBus通信將電池的信息輸出，實(shí)現(xiàn)和外界控制系統(tǒng)的交流，其電源供電系統(tǒng)直接由被管理的鋰電池提供。電感均衡控制電路的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，在電感均衡的控制系統(tǒng)中，BQ78PL116作為電路的主控，負(fù)責(zé)電池組電流的采集、電感均衡電路MOSFET驅(qū)動(dòng)信號(hào)的給定，通過(guò)與從屬芯片BQ76PL102的PowerLAN通信以及和外圍電路的SMBus通信，獲取整個(gè)電池組以及單體電池的電壓、溫度、SoC的信息。圖2電感均衡控制硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2Hardwarecircuitoftheinductancebalancecontrol電路中電感均衡電路的參數(shù)配置：電感為4.7pH,開(kāi)關(guān)頻率為204.8kHz，上、下橋臂的占空比分別為33%和67%。1.2變壓器均衡電路設(shè)計(jì)變壓器均衡電路設(shè)計(jì)主要包括拓?fù)鋐lyback電路的設(shè)計(jì)、拓?fù)渌褂酶哳l變壓器的設(shè)計(jì)。高頻變壓器是flyback電路的主要部件，實(shí)現(xiàn)能量的隔離傳輸。另外，還有開(kāi)關(guān)器件的選擇、開(kāi)關(guān)尖峰問(wèn)題的解決等。1.2.1高頻變壓器設(shè)計(jì)。為了實(shí)現(xiàn)反激變換器在原邊開(kāi)關(guān)導(dǎo)通期間，原邊所存儲(chǔ)的能量在開(kāi)關(guān)再次導(dǎo)通前全部傳輸?shù)礁边?，電路設(shè)計(jì)工作在不連續(xù)導(dǎo)通模式（DCM）下，DCM與CCM（連續(xù)導(dǎo)通模式）的傳遞函數(shù)是不相同的，所以，設(shè)計(jì)也不一樣。這里引入比例系數(shù)KRP作為DCM與CCM設(shè)計(jì)的區(qū)分，KRP為脈沖電流與峰值電流的比例系數(shù)。在DCM下，KRP=1。已知參數(shù)根據(jù)具體應(yīng)用的需求和電路特點(diǎn)確定，包含輸入電壓范圍Uimin~Uimax，輸出電壓Uo，輸出功率Po，工作頻率f,系統(tǒng)效率，最大占空比Dmax以及根據(jù)已知參數(shù)可以計(jì)算出原邊的平均電流IAVG,峰值電流IP,初級(jí)電流有效值IRMS以及輸入功率Pin。原邊電感LP通過(guò)原邊峰值電流Ip,輸入電壓最小值Uimin，開(kāi)關(guān)管最大導(dǎo)通時(shí)間等變量來(lái)計(jì)算；負(fù)邊電感LS通過(guò)副邊電流、輸出電壓最大值以及開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間來(lái)計(jì)算。式中，U'0為輸出電路中所有壓降，包括副邊開(kāi)關(guān)壓降、線路壓降等。匝數(shù)比n'是指變壓器原邊匝數(shù)與副邊匝數(shù)之比，同時(shí)還可以通過(guò)電參數(shù)計(jì)算出來(lái)。式中：VOR為副邊反射到原邊的反射電壓；UDS為導(dǎo)通電壓；UDS1為副邊開(kāi)關(guān)管或者整流管的導(dǎo)通電壓。根據(jù)VOR來(lái)選擇原邊開(kāi)關(guān)管MOSFET的擊穿電壓，即需要MOSFET的擊穿電壓要一定量的大于反射電壓,否則開(kāi)關(guān)容易擊穿。使用鐵氧體作為鐵芯，需要給鐵芯加上適當(dāng)?shù)拈g隙，有兩個(gè)目的：a.傾斜磁滯回線，使磁導(dǎo)率降低；b.提高飽和安匝數(shù)，即防止磁芯飽和。間隙式中：為飽和磁通密度；為磁通有效截面積。結(jié)合本文的控制對(duì)象，鋰電池的單體電池電壓范圍為2.35~4.25V,設(shè)計(jì)16個(gè)電池。1.2.2變壓器均衡flyback電路設(shè)計(jì)。反激變換電路的設(shè)計(jì)除了上述的高頻變壓器的設(shè)計(jì)之外，還涉及到開(kāi)關(guān)管的選型、濾波電容的選型等。開(kāi)關(guān)管在電壓等級(jí)不高且工作頻率比較高的場(chǎng)合，主要選擇MOSFET。而MOSFET的選擇首先要考慮的是電壓等級(jí)的選擇，所選擇的電壓等級(jí)一定要高于電路工作的最高電壓，否則會(huì)導(dǎo)致器件的擊穿損壞。對(duì)于反激變壓器中開(kāi)關(guān)管電壓等級(jí)的選擇，可以根據(jù)上文變壓器設(shè)計(jì)中的計(jì)算值確定，即需要滿足式中：VDSS是MOSFET的漏源極最大承受電壓，超過(guò)這個(gè)電壓就會(huì)器件擊穿；Uinmax為直流輸入最大電壓。為了考慮一定的余量，通常會(huì)選擇MOSFET的VDSS比另外，還需要選擇MOSFET的漏電流ID，需要滿足式中，IP為原邊電流峰值。同樣，為了留有余量，選擇相對(duì)IP較大的ID?？紤]到鋰電池的尖峰承受能力和電路損耗，反激變換電路的設(shè)計(jì)需要注意開(kāi)關(guān)過(guò)程中產(chǎn)生的電流變化率dl/dt以及電壓變化率dV/dt的問(wèn)題。所以，需要給電路加上緩沖電路，即常說(shuō)的RCD吸收電路［9］，緩沖電路有關(guān)斷緩沖和開(kāi)通緩沖之分。關(guān)斷緩沖主要是抑制關(guān)斷時(shí)電路中的dV/dt，減小了關(guān)斷電壓尖峰的同時(shí)，也減小了電路的關(guān)斷損耗；開(kāi)通緩沖主要是抑制開(kāi)通時(shí)電路中的過(guò)沖電流以及dI/dt，同時(shí)也減小了開(kāi)通損耗。通過(guò)計(jì)算、實(shí)驗(yàn)后設(shè)計(jì)的電路如圖3所示，輸入輸出濾波電容是為了控制電路的最小紋波，減小對(duì)電池影響。圖3flyback電路設(shè)計(jì)原理圖Fig.3Designoftheflybackcircuit對(duì)于副邊的開(kāi)關(guān)管（Q1，Q2），如果只是采用變壓器均衡的至下均衡法，就無(wú)需使用MOSFET作雙向均衡，只需要使用一個(gè)快速整流二極管，電流參數(shù)必須要在允許范圍之內(nèi)，如Fairchild的MUR860。鋰電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1995年，國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）制定了關(guān)于電池管理系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)，需要包含的功能為：電池SoC的顯示；電池溫度以及高溫報(bào)警；電池老化信息；電池異常報(bào)警；檢測(cè)電池的關(guān)鍵數(shù)據(jù)如電壓、電流等［4］。根據(jù)上述的功能，本文的系統(tǒng)框圖如圖4所示。本文設(shè)計(jì)的電池管理系統(tǒng)主要功能包括：電池組整體數(shù)據(jù)以及組內(nèi)單體電池?cái)?shù)據(jù)采集、能量管理、電池組狀態(tài)估計(jì)、安全管理、通信與通信終端軟件監(jiān)控及數(shù)據(jù)顯示等。能量管理這里主要指鋰電池組的均衡管理。圖4鋰電池管理系統(tǒng)框圖Fig.4Structureofthebatteryenergymanagementsystem控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)電池組關(guān)于電池的關(guān)鍵數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)以及剩余電量均通過(guò)電感均衡模塊中的專用控制芯片BQ78PL116完成，均衡管理由兩部分組成：電池包內(nèi)不一致均衡的電感均衡電路，以及電池包與包之間的不一致均衡通過(guò)變壓器均衡實(shí)現(xiàn)。專用芯片BQ78PL116與主控制芯片的通信是由SMBus實(shí)現(xiàn)，主控芯片與LCD顯示以及上位機(jī)監(jiān)控軟件均是通過(guò)串口實(shí)現(xiàn)。歷史數(shù)據(jù)的記錄通過(guò)上位機(jī)軟件與數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)合實(shí)現(xiàn)。根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及功能的要求，可以將系統(tǒng)的硬件分為6個(gè)部分設(shè)計(jì)，如圖5所示。鋰電池管理系統(tǒng)主控使用DSP作為主控單元，主控單元的設(shè)計(jì)包括DSP最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，確保DSP能夠正常工作。DSP外圍電路的設(shè)計(jì)，保證DSP內(nèi)部與外部的正常輸入輸出。圖5系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖Fig.5Designofthesystemhardwarestructure變壓器均衡電路以及電感均衡電路均屬于均衡電路的設(shè)計(jì)。變壓器均衡電路為了實(shí)現(xiàn)電池包與包之間的均衡，采用flyback拓?fù)潆娐?，這里涉及到高頻變壓器的設(shè)計(jì)、PWM驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)、電路中尖峰電路的解決。因?yàn)椋姵貙?duì)電路尖峰比較敏感，大的電流電壓尖峰會(huì)對(duì)電池的壽命造成比較嚴(yán)重的影響。電感均衡電路為實(shí)現(xiàn)電池包與包之間的均衡，控制采用專用芯片BQ78PL116單獨(dú)包內(nèi)控制，所以，硬件的設(shè)計(jì)涉及到BQ78PL116的系統(tǒng)外圍設(shè)計(jì)、電感均衡電路的設(shè)計(jì)等。通信與顯示電路采用SMBus實(shí)現(xiàn)了DSP與顯示電路LCD、上位機(jī)軟件以及專用芯片BQ78PL116的通信，將電池信息數(shù)據(jù)在系統(tǒng)內(nèi)傳輸。由于DSP沒(méi)有帶硬件SMBus接口，采用普通I/O口模擬SMBus的通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)DSP與2塊BQ78PL116的通信。按照SMBus的協(xié)議接線規(guī)定，為了提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，需要將電路?根傳輸線接連1MQ的上拉電阻，同時(shí)為了提高抗干擾性，在傳輸線上串聯(lián)了2個(gè)小電阻。具體硬件結(jié)構(gòu)如圖6所示。圖6SMBus通信接口電路Fig.6CircuitofSMBuscommunication從DSP硬件接口中，分別分配2組I/O作為2個(gè)ASICBQ78PL116的SMBus通信接口。SMBusA的CLK為GPIOB8,DATA為GPIOB9;SMBusB的CLK為GPIOB14,DATA為GPIOB15。另外，考慮到電池組串聯(lián)在一起，則2組SMBus的GND不能直接接過(guò)去。因?yàn)?，?duì)于分別管理的2個(gè)串聯(lián)在一起的電池包，其地信號(hào)并不是1個(gè)。所以，需要進(jìn)行通信隔離，基本隔離電路可以采用光耦隔離。充放電電路主要是控制充放電電路的開(kāi)通與關(guān)斷，充放電是通過(guò)外圍的充放電機(jī)完成。單體電池的參數(shù)信息都是通過(guò)專用芯片通信獲取，但是，在開(kāi)啟均衡的時(shí)候，包電流并不能直接代表電池組的輸入電流，所以，需要單獨(dú)設(shè)計(jì)電池組電流采集電路，通過(guò)主控單元來(lái)實(shí)現(xiàn)電流參數(shù)的獲取。系統(tǒng)軟件框架結(jié)構(gòu)電池管理系統(tǒng)的整體軟件流程如圖7所示，整體結(jié)構(gòu)有3大模塊：DSP程序設(shè)計(jì)流程、ASIC控制流程和上位機(jī)軟件流程。DSP程序?yàn)橹骺爻绦?，另外兩大模塊分別被歸納為輸入、輸出數(shù)據(jù)流結(jié)構(gòu)。從整體結(jié)構(gòu)看，專用芯片BQ78PL116控制的電感均衡除了均衡功能之外，還為整個(gè)系統(tǒng)提供電池包以及電池組中每個(gè)單體電池的數(shù)據(jù)信息，然后以數(shù)據(jù)的形式通過(guò)SMBus通信傳給主控制芯片DSP。另一個(gè)模塊也被歸納為數(shù)據(jù)流結(jié)構(gòu)，因?yàn)?，上位機(jī)軟件的主要功能是將從下位機(jī)傳送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)作曲線顯示以及數(shù)據(jù)庫(kù)的存儲(chǔ)備份，所以，同樣主要功能是數(shù)據(jù)的流入流出功能。DSP流程只有開(kāi)始沒(méi)有結(jié)束，本文認(rèn)為，作為CPU，從整體流程上講，從上電開(kāi)始程序就是一個(gè)死循環(huán)，是對(duì)各個(gè)功能不停跑的過(guò)程，除非斷電。如果斷電，則會(huì)在任何程序點(diǎn)隨時(shí)停止，鑒于上述原因，本文沒(méi)有給出結(jié)束標(biāo)志。DSP上電開(kāi)始之后，首先需要初始化；接著是對(duì)電池組相關(guān)數(shù)據(jù)信息的獲取，即通過(guò)SMBus從電池管理系統(tǒng)ASIC獲取，將數(shù)據(jù)上傳并顯示；然后是數(shù)據(jù)的分析，即對(duì)各個(gè)電池狀態(tài)的把握。如果出現(xiàn)異常情況，則啟動(dòng)保護(hù)電路，否則判斷是否啟動(dòng)包包均衡，包內(nèi)均衡由ASIC單獨(dú)控制，主控需要做的是對(duì)包包均衡的控制，若需要控制則開(kāi)啟flyback電路的PWM啟動(dòng)控制，接著電路不停地處于循環(huán)中，一旦均衡結(jié)束將會(huì)停止包包均衡?，F(xiàn)對(duì)主流程中幾個(gè)主要模塊的流程分別進(jìn)行說(shuō)明。圖7系統(tǒng)軟件整體流程Fig.7Flowpathofthesoftwaresystem均衡對(duì)比實(shí)驗(yàn)與分析現(xiàn)以8個(gè)鋰電池的串聯(lián)電池組為控制對(duì)象，單體電池標(biāo)稱3.7V,4200mAh,將4個(gè)電池打?yàn)橐话?，包?nèi)采用電感均衡，并由專用芯片BQ78plll6控制，通過(guò)SMBus通信將數(shù)據(jù)傳給控制器，再由控制器分析是否開(kāi)啟包與包之間的均衡，即變壓器均衡，實(shí)驗(yàn)的混合主動(dòng)均衡法系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖8所示。對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)的純電感均衡電路采用專用芯片BQ78plll6控制。在同樣條件下對(duì)混合主動(dòng)均衡法與純電感均衡予以靜止、充電以及放電實(shí)驗(yàn)。4個(gè)電池1包，8個(gè)電池一共2包，PACK1中為電池1~4號(hào)，PACK2中為電池5~8號(hào)，按照序號(hào)串聯(lián)在一起，1號(hào)負(fù)極與電池組負(fù)端連接，8號(hào)正極與電池組正端連接。將電池組配置為1~4號(hào)電池電壓一致,5-8號(hào)電池電壓一致，兩包包電壓不一致，PACK2包電壓低于PACK1,也就是5-8號(hào)電池電壓均小于1-4號(hào)。3.1電池組靜止均衡對(duì)比實(shí)驗(yàn)與分析為了作均衡對(duì)比實(shí)驗(yàn)，人為地制造電池組中電池電壓的不一致，將8個(gè)電池2個(gè)電池包的包電壓利用包各自充放電成不一致，但是，包內(nèi)4個(gè)電池的電壓還保持一致。如圖8所示，PACK1的電壓設(shè)為15.882V,PACK2的電壓設(shè)為15.409V。電感均衡即包內(nèi)均衡，允許單體電池的壓差為5mV。在同樣的包電壓初始條件下,分別做混合主動(dòng)均衡法即變壓器與ASIC控制電感均衡的均衡實(shí)驗(yàn)和只有ASIC控制電感均衡的均衡實(shí)驗(yàn)。混合主動(dòng)均衡的靜止條件下的均衡結(jié)果如圖9所示（見(jiàn)下頁(yè)），純電感均衡在同樣條件下的均衡結(jié)果如圖10所示（見(jiàn)下頁(yè)）。圖8混合主動(dòng)均衡實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.8Structureofthehybridactivebalancecircuittestsystem兩種方法在同樣的條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。PACK1包含Celli-4,即曲線電壓1-4,PACK2包含Cell5-8，即曲線電壓5-&將單體電池電壓的起始電壓以及均衡結(jié)束電壓列于表1（見(jiàn)下頁(yè)）。圖9混合主動(dòng)均衡法靜止均衡實(shí)驗(yàn)Fig.9Hybridactivebalancetestsinstaticstate圖10電感均衡法靜止均衡實(shí)驗(yàn)Fig.1OInductancebalancetestsinstaticstate表1靜止均衡對(duì)比實(shí)驗(yàn)相關(guān)數(shù)據(jù)Tab.1DataofthestaticbalancetestsmV結(jié)合圖形與數(shù)據(jù)分析，在表1的初始單體電壓下，將2包電池電壓均衡到一起，電感均衡采用100mA，均衡電流需要45625s，而結(jié)合變壓器均衡與電感均衡的混合主動(dòng)均衡法只需要14280s。結(jié)合上文的計(jì)算分析，混合主動(dòng)均衡與電感均衡完成時(shí)間之比Kt=Tm/Ti=0.3，則可知，Wm=1.89KtWi=0.59Wi?；旌现鲃?dòng)均衡完成均衡消耗的能量Wm只有電感均衡消耗能量Wi的59%。可見(jiàn)混合主動(dòng)均衡在均衡效率以及時(shí)間方面的優(yōu)勢(shì)。最后，完成均衡的總電壓也證明了這點(diǎn)，電感均衡最后單體電壓平均值為3.8715V，而混合主動(dòng)均衡最后均衡到一致的平均電壓約為3.894V，相對(duì)電感均衡單體電壓平均值高了22.3mV。靜止均衡實(shí)驗(yàn)表明，混合主動(dòng)均衡法較電感均衡法均衡時(shí)間短、均衡效率高，彌補(bǔ)了電感均衡在電池相距較遠(yuǎn)時(shí)均衡時(shí)間長(zhǎng)以及效率低的缺點(diǎn)，同時(shí)也吸收了變壓器均衡法直接高效的優(yōu)點(diǎn)以及電感均衡在少量電池時(shí)均衡效率高的優(yōu)點(diǎn)。電池組放電均衡對(duì)比實(shí)驗(yàn)與分析為了進(jìn)行放電條件下2種均衡法的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，人為地制造電池組中電池電壓的不一致，然后再進(jìn)行均衡實(shí)驗(yàn)。將8個(gè)電池2個(gè)電池包的包電壓利用包各自充放電成不一致，但是，包內(nèi)4個(gè)電池的電壓還保持一致，PACK1的電壓設(shè)為17.604V，PACK2的電壓設(shè)為15.794V。電感均衡即包內(nèi)均衡允許單體電池的壓差為5mV。在同樣的包電壓初始條件下，分別進(jìn)行混合主動(dòng)均衡法即變壓器與ASIC控制電感均衡結(jié)合的放電均衡實(shí)驗(yàn)和只有ASIC控制電感均衡的放電均衡實(shí)驗(yàn)。為了能夠在放電結(jié)束前看到均衡到一起，選擇比較小的放電電流，為100mA?；旌现鲃?dòng)均衡的100mA放電條件下的均衡結(jié)果如圖11所示，ASIC控制的純電感均衡在同樣條件下的放電均衡結(jié)果如圖12所示。圖11混合主動(dòng)均衡法100mA放電均衡Fig.11Hybridactivebalancetestsat100mAdischarge圖12電感均衡法100mA放電均衡Fig.12Inductancebalancetestsat100mAdischarge2種方法的實(shí)驗(yàn)單體電池初始電壓接近一致，PACK1包含的單體電池為Cell1~4,即曲線電壓1~4,PACK2包含電池Cell5~8,即曲線電壓5~8。將單體電池電壓的起始電壓以及均衡結(jié)束電壓列于表2。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析表明，在同樣的初始電壓以及放電條件下，電感均衡需要的時(shí)間為35500s，而混合主動(dòng)均衡法的放電均衡的時(shí)間只有10572s，時(shí)間只有電感均衡的大致1/3?；旌现鲃?dòng)均衡法均衡平均電壓為3.919V,而電感均衡法平均電壓為3.778V。表2100mA放電均衡對(duì)比實(shí)驗(yàn)相關(guān)數(shù)據(jù)Tab.2Dataoftwobalancetestsat100mAdischargemV圖13混合主動(dòng)均衡法100mA充電均衡Fig.13Hybridactivebalancetestsat100mAcharge對(duì)于電感放電均衡，如果在均衡一致之間，那么，長(zhǎng)的均衡時(shí)間可能會(huì)導(dǎo)致在未均衡到一起時(shí)就達(dá)到了單體電池的放電保護(hù)電壓，則間接地減小了整個(gè)電池組的放電容量。從均衡時(shí)間以及電池組的整體放電容量的角度來(lái)看，在放電條件下，混合主動(dòng)均衡法吸收了電感均衡的優(yōu)點(diǎn)（如包內(nèi)始終一致），同時(shí)放點(diǎn)均衡時(shí)間短，因而比電感均衡更具優(yōu)勢(shì)。電池組充電均衡對(duì)比實(shí)驗(yàn)與分析為了進(jìn)行充電條件下2種均衡法的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，PACK1的電壓設(shè)為14.703V,PACK2的電壓設(shè)為14.380V。電感均衡即包內(nèi)均衡允許單體電池的壓差為5mV。在同樣的包電壓初始條件下，分別進(jìn)行混合主動(dòng)均衡法即變壓器與ASIC控制電感均衡的充電均衡實(shí)驗(yàn)和只有ASIC控制電感均衡的充電均衡實(shí)驗(yàn)。為了能夠在充滿電前看到均衡到一起，選擇比較小的充電電流，為100mA?；旌现鲃?dòng)均衡的100mA充電條件下的均衡結(jié)果如圖13所示，ASIC控制的純電感均衡在同樣條件下的充電均衡結(jié)果如圖14所示。2種方法的實(shí)驗(yàn)單體電池初始電壓接近一致，PACK1包含的單體電池為Cell1~4,即曲線電壓1~4,PACK2包含電池Cell5~8,即曲線電壓5~8。將單體電池電壓的起始電壓以及均衡結(jié)束電壓列于表3（見(jiàn)下頁(yè)）。圖14電感均衡法100mA充電均衡Fig.14Inductancebalancetestsat100mAcharge表3100mA充電均衡對(duì)比實(shí)驗(yàn)相關(guān)數(shù)據(jù)Tab.3Dataoftwobalancetestsat100mAchargemV實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析表明，在同樣的初始電壓以及充電條件下，電感均衡最終將電壓都均衡到一起需要的時(shí)間為19375s，而混合主動(dòng)均衡法的將電壓都均衡到一致的時(shí)間只有5184s，時(shí)間只有電感均衡的將近1/4。混合主動(dòng)均衡法均衡到一起的平均電壓為3.685V,而電感均衡法最后均衡到一起的平均電壓為3.792V。對(duì)于電感放電均衡，如果在均衡一致之間，那么，長(zhǎng)的均衡時(shí)間可能會(huì)導(dǎo)致在未均衡到一起時(shí)就達(dá)到了單體電池的充電保護(hù)電壓，則間接地減小了整個(gè)電池組的充電容量。從均衡時(shí)間以及電池組的整體充電容量的角度來(lái)看，在充電條件下，混合主動(dòng)均衡法吸收了電感均衡的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)放電均衡時(shí)間短，因而比電感均衡更具優(yōu)勢(shì)。4結(jié)束語(yǔ)研究了鋰電池組管理系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了電池管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，包括變壓器均衡電路的設(shè)計(jì)、電感均衡硬件電路的結(jié)構(gòu)、主控硬件電路的設(shè)計(jì)、充放電電路情況以及電池組電流采集電路設(shè)計(jì)，包括了高頻變壓器的設(shè)計(jì)、flyback電路以及專用ASICBQ78PL116的獨(dú)特功能與配合電感均衡的硬件工作結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)了DSP最小系統(tǒng)、通信電路與電池管理軟件系統(tǒng)。通過(guò)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，分別在靜止?fàn)顟B(tài)、放電狀態(tài)以及充電狀態(tài)下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，混合主動(dòng)均衡結(jié)合了變壓器均衡直接高效的優(yōu)點(diǎn)以及電感均衡相鄰電池之間轉(zhuǎn)移高效的優(yōu)點(diǎn)。【相關(guān)文獻(xiàn)】DELAPARRAHZ,MAGNUSSENF,BOSGAS.Challengesforelectricmachinesandpowerelectronicsinautomotiveapplications[Z].EcologicVehiclesRenewableEnergies,2009：1-9.LIUXT,HEY,CHENZH.Stat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