基于主动均衡策略的电动汽车用锂电池管理系统设计研究

王灿烨1 刘庚辛1 王鑫泉1 符兴锋2 1. 510640;2. 511434) ( 华南理工大学,广州 广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院,广州

Automobile Technology - - 目次 - ………………………………… 王灿烨 刘庚辛 王鑫泉 符兴锋 (

【摘要】为提高电动汽车用锂离子动力电池单体间的一致性及其能量利用率,需对电池单体或在模组间进行电量均衡。在研究动力电池组主动均衡策略的基础上,对均衡系统进行仿真建模,得到了动力电池电量、均衡时间与反激式直流转换器通断间的关系,并根据仿真分析结果搭建试验平台进行验证。验证结果表明,设计开发的动力电池均衡管理系统可实时检测电池单体的情况,并实现可编程式电池能量主动均衡,具有良好的均衡效果。

1 前言

动力电池是电动汽车重要的能量存储装置和动力来源,直接影响整车的安全性[1- 2]。为满足电动汽车工作时的大电流和高电压等需求,锂电池单体需要通过串、并联的方式以多种组合形式形成合适的电池模组。受工业生产和工艺水平的限制,动力电池存在细微的不一致性,而外界环境变化引起的电池内阻、容量的变化会加剧这种不一致性,导致电池负载能力和使用能力的进一步下降[3- 4]。为了提高电池单体的一致性,提高电池能量利用率,必须对电池单体间的不一致性进行均衡 管理。动力电池不一致性的均衡管理一般由动力电池

Battery Management System,BMS) BMS管理系统( 进行。的均衡管理功能可避免动力电池单体长时间存在较大的温差造成电池一致性的恶化,从而改善动力电池系统的性能,延长电池的使用寿命[1-2]。

动力电池的均衡管理是动力电池系统设计研究的重要内容之一。近年来,国内外学者提出了多种主动均衡的方式。根据电池单体能量的转移方式可分为电感式、电容式、变压器式和其他开关电路拓扑的方式[5- 7]。发达国家对电池管理系统的研究起步较早,德国已经有

BMS;

比较成熟的 国内已有公司研发了带有“主动均衡、

主题词:电池管理系统 主动均衡 能量管理U463.63 A中图分类号: 文献标识码:

10.19620/j.cnki.1000-3703.20161180 DOI:

BMS

无线传输”核心功能的 产品,较为显著地解决了锂离子动力电池组不一致性的问题[4]。

本文基于主动均衡策略,在采用变压器进行能量转移的主动均衡方案和控制方案的基础上,根据锂离子的特点和工作要求,设定均衡电路性能指标,完成均衡电路的仿真分析,并根据仿真结果搭建试验平台进行试验,验证了该主动均衡方案的可行性。

2 动力电池均衡管理系统基本类型

动力电池均衡管理系统的均衡方式主要为主动均衡和被动均衡[8]。被动均衡的工作特点是以电阻放电的方式,消耗高电能电池的电能。主动均衡的工作特点是通过主动控制实现能量从高能量水平的电池转移到低能量水平的电池[9- 11]。其优点是没有电能的损耗与浪费,电能转移过程不产生多余的热量,有利于温度的均衡性。其缺点是均衡电路设计较为复杂,实现困难,成本远高于被动均衡。

主动均衡如能解决上述问题,将是一种均衡效果更优的电池均衡方式。本文重点研究动力电池的主动均衡系统,其均衡方法主要有:

a.

由变压器构成的均衡方法。其原理是变压器的副边与各电池相连,原边与需均衡的电池单体相连,通过控制原边的通断将需要均衡的电池单体的能量转移到原边,由于变压器的特性,副边绕组也会产生能量,并传递到其他电池单体。该方法通过改变变压器的匝数比可以调整均衡速率,能量转移速度较快,性价比高,但在能量转移过程中,变压器等器件的发热会造成能量的散失。

b.

由电容构成的均衡方法。通常将电容并联在电池单体上,通过控制电容与电池之间的通断控制电池能量的转移。这种方法结构简单,易于实施,均衡过程可控,但是能量转移速率受电容容量限制,且电容与电池的并联方式决定了主动均衡的效率。

c.

由电感构成的均衡方法。系统组成与电容构成的均衡方法基本相同,常见的是将电感并联在电池单体上实现能量的转移,其能量转移速度也较慢。

对于主动均衡来说,目前研究的难点有[12- 13]:提高数据采集精度、改善电池剩余电量算法、以低成本实现可靠、快速的电量均衡。

3 动力电池主动均衡电路仿真

MATLAB/

设计电池模组主动均衡电路后,利用

Simulink

对均衡电路进行建模与仿真分析。利用Simulink 2

搭建均衡电路,并查看均衡电路工作后 个电 池的电压变化情况,从而判断均衡效果。

1

图 所示为均衡电路仿真模型,其中, R3为副边电R2= 10 kΩ C2= 1 pF Ds路等效电阻,电阻 、电容 及二极管组成副边电压关断缓冲电路,限制副边的漏极在开关断

R1= 0.5 Ω Mosfet开之后产生高电压, 为电路等效电阻, 为

C1= 100 nF Mosfet

开关,并联 为 等效结电容,脉冲发生器PN负责提供跃迁信号。二极管的 结之间存在电容,可PN通过交流电,由于结电容通常很小,当二极管 结之间PN

的交流电频率较低时, 结只允许单向电流通过,当PN

结上的交流电频率较高时,允许交流电通过。 DC/DC

通过主动控制反激式 转换器的通断,在不

1

停地闭合和断开开关的过程中,电池 放电,变压线圈

2

原边电动势升高,经过放大,副边电动势超过电池 并1∶4,

对其充电。其中,变压线圈原边与副边匝数比为

20 ns, 50%

脉冲开关的周期为 脉冲宽度为 。

CodeWarrior for HCS12 V5.1

电池管理系统软件以

C

为开发环境,采用 语言编写,包括控制模块与采集模块。

2

如图 所示,主控系统初始化时,同时初始化LTC6804-1

芯片,使其进入待命状态。系统初始化成功后,程序进入主循环,根据定时器产生的时序,顺序执行A/D 10 ms

转换,每 获取一次电压数据,主控芯片进行数据处理,并根据处理结果判断是否超出预设门槛,进而判断是否执行断开电池输出、启动主动均衡等功能,所CAN

采集的数据通过 总线发送到上位机,方便使用者实时查看数据并获取电池系统的工作状态。

3.1 主控模块

电池管理系统启动后,首先进行主控模块的初始SPI SPI

化,对一些重要的参数进行赋值,使用 总线通过LTC6804-1, LTC6804-1

通信方式初始化从控模块 直到

Stand By

进入 状态后,进入主循环。

SPI

在主循环中,通过 通信的方式,主控模块接收

LTC6804-1

反馈的电池单体信息,完成电压和温度采样、

SOC CAN估算、数据处理、故障诊断以及 通讯等功能。 LTC6804-1

初始化 流程: a. 1 CSB SCK

发送 个虚字节, 和 上的动作唤醒LTC6804-1

上的串行接口。b. 20 ms LCT6804-1

等待 以完成 器件上电。c. 2

发送第 个虚字节。d. 5 ms

等待 。e.

发送命令。

3.2 从控模块

在从控模块中,上电后完成系统初始化,根据主控模块指令实现电压采集、电量均衡等功能。电压的采集采用高精度的浮地网络测量技术,结合高速光电耦合继电器阵列,以扫描的方式实现硬件的分时复用,测量得

16 A/D LTC6804到的电池电压值送入高速 位 转换芯片

1 CAN中滤波处理,转换结果通过 总线发出。

3.3 SOC估算

BMS

本文设计的 对电池组的评估方法采用目前较多使用的开路电压估算法,即根据电池电量与电压的关系,通过电池单体电压使用公式修正后运算得到电池单体的电量: 式中, U为电池单体电压。

3.4 电池温度信号处理

为了准确地反映电池组的温度分布情况,同时结合电池包设计过程中温度的分布情况,温度采集芯片设计12

有 个传感器接口,可以满足绝大部分电池包温度采NTC

集需求。由于温度变化速度较慢,因此选用 热敏电阻传感器,将热敏电阻组成一个电桥,测量的温度信12 A/D

号送入单片机自带的 位高精度 转换器中处理。NTC

为了更加准确地获得 热敏电阻阻值与温度的NTC

关系,对各温度下 电阻的温度与电阻进行测量并 拟合,得到温度为:

NTC

式中, R为 热敏电阻阻值。

1)

利用某温度下的电阻对式( 进行验证,结果表明, 1%

二者相差不超过 。

4 BMS硬件设计

BMS

需要对电池模组的各单体电池信息进行采集与管理,当电池单体的数目增多时,如果采用集成化模块设计,便对主控芯片的性能提出了更高的要求。本系统采用可拓扑式设计,根据电池单体的数目可增加采集

CAN

芯片的数量,主控与从控芯片通过 进行通讯,完成信息的采集与控制策略的执行。

4.1 温度信息采集模块

BMS

需要实时检测电池单体温度,对于对温度比较敏感的锂电池,应该尽可能采集更多的数据,同时,必须

Freescale 9S12

具有高的精确度。由此,选用 系列的

XS128 8 10 12作为处理器,该处理器具有 位、 位、 位可编

A/D 3

程 转换模块,硬件电路如图 所示。 12 A/D NTC

通过 位分辨率的 转换器采集 热敏电阻的电压,电容起到硬件滤波作用,减少高频信号对采集信号的干扰。该电路硬件容易实现且采集精度满足电

NTC池状态检测的需要。采用高精度 热敏电阻可以提高采集数据的准确性。

NTC

根据 热敏电阻的阻值随着温度升高而降低的

A/D NTC

特性, 采集口可以得到 热敏电阻的电位,根据

NTC

电位可以换算出 热敏电阻的阻值:

式中, VA/ 为热敏电阻电压。得到电阻数据后,查表换算得到温度。

4.2 电池单体电压采集模块

根据外围设备的要求,电池单体通过不同的串、并

100 V

联方式组合成不同电池模组,最高电压可达 以

上。为了准确获得数量众多的电池单体电压,采用LTC6804-1

芯片进行采集。

LTC6804-1

芯片为多节电池的电池组监视器,最多12 1.2 mV

可测量 个串接电池的电压并具有低于 的总测12 LTC6804-1

量误差。监测 个以上的电池单体时,可将

4

串联。硬件电路如图 所示。

LTC6804- 1 SPI通过 串行接口与主控芯片通讯。

SPI

是一种高速、全双工同步通信总线,且芯片管脚只占

4 Freescale XS128 SPI

用 根线。 芯片用同一个 总线接口实现与主控芯片的通信。

4.3 主控模块设计

BMS

需通过一个主控芯片接收外设采集到的数据,执行计算、控制与决策等功能,实现对电池系统的控NXP XS128

制。 公司的 芯片作为一款汽车级芯片,较工业级芯片具有更大的工作温度范围与更好的抗干扰性,适合在汽车等比较恶劣的工况下运行,同时可靠性也大大提高。

SCK MOSI MISO CSB 4

主控芯片通过 、 、 、 等 个管脚LTC6804-1

与 进行通信,大幅节省了管脚数量,实现了5

对电池电压信息的实时高速采集,如图 所示。

4.4 电源模块设计

为了适应汽车上的使用要求,BMS 从控单元拥有12 V 5V

直流电转 直流电的供电电路。电路提供足够5V

稳定的 直流电压,纹波小,可以满足主控芯片等器件的使用需求。

6 BMS 12 V

图 所示为 供电电路,其中, 输入端装有1A

电流保险丝,防止电流过大造成芯片损坏。电路采TLE4270

用 芯片转换电压。为了进一步减少纹波电压, 100 pF 100 nF 47μF

该芯片输入端与输出端均采用了 、 、的电容旁路。

4.5 CAN通信模块设计

为了实现 BMS 与整车控制器等设备的通信交流, 7 CAN CAN

本系统采用了图 所示的 总线通信系统。 电TJA1050 TXD

路通过 芯片实现信息传输,其 口直接与主CAN_TXD IO RXD CAN_RXD

控芯片的 的 口相连, 口与

BMS

口相连,通过对主控芯片的编程可以简便地实现与整车其他电子设备的通信。

4.6 主动均衡模块设计

当电池系统中的电池单体电量差达到一定程度时,

LT8584便需要开启主动均衡功能。本系统采用 芯片与小型变压线圈对电池实行电量主动均衡。

8 LT8584 OUT Din

如图 所示, 的 、 管脚可以与

LT6804-1 CS

的 、系列的管脚无缝连接。当电池模组中

LT8584 SW某一单体电压过高时,通过控制 的 管脚的通断,可以使该电池对线圈原边产生脉冲电压。该电压经过变压器副边放大后接到整个电池模组的正、负极,电量将会通过变压线圈施加到整个电池模组中,对其充电,从而实现可编程式的主动均衡控制策略。

5 BMS试验结果

BMS PCB设计完成后的 主动均衡系统的 原理图和

9 10

实物分别如图 、图 所示。 图 11 所示为主动均衡模块开启情况下仿真试验得到的电池电压变化曲线。两个电池单体的初始电压分

3.9 V 3.75V,

别为 与 主动均衡模块开启后,高电压电池单体对低电压电池单体进行充电,最终两个电池单体的电压趋近于相同,达到主动均衡效果。

利用设计的动力电池主动均衡系统对存在电池单 体不一致性的电池组进行充、放电试验,通过调整电阻的阻值,改变电池组的放电电流,将数据导出并绘出随

2 12 13机抽取的 个电池单体放电温度曲线,如图 、图所示。 由图 12 可知,电池组在进行小电流放电时,电池单245( 10 s)

体温度没有明显的变化,在持续的 采样间隔

32 ℃ 13

次采样中,均维持 的温度不变。而由图 可知,电1 2

池组进行大电流放电时,电池 与电池 出现了温度差241 10 s)

异,两者温度均有上升,在 次(采样间隔 采样过1℃

程中,温度上升约为 。对电池组进行放电,同时主控模块开启主动均衡功2

能,对存在压差的 个电池单体进行电量主动均衡,将14

数据导出并绘出如图 所示的电池均衡电压曲线。

14

从图 可以看出,电量不同的电池单体在放电过程中,主控模块开启主动均衡功能后,电量多的电池单体通过变压线圈将电量转移到线圈副边,线圈副边对整1

个电池模组进行充电。电池 的电量逐渐下降,电压曲线随着均衡的过程逐渐贴合,电压差非常小。

Simulink BMS试验结果论证了 建模仿真的结果, 通过主动均衡的方式,在高精度采集模块的辅助下,实现了电池能量的转移。该主动均衡策略可以同时对多个电量高的电池单体进行放电转移,可以有效、快捷地进行电量均衡。同时,通过可编程式的均衡电量阈值判断,可以修改实行主动均衡的电压差,从而更加智能地对电池电量进行管理。

6 结论

BMS

本文针对 中的主动均衡系统进行了研究,设计了动力电池系统的主动均衡系统仿真模型,并设计了实物进行试验验证,仿真和试验结果表明,本文设计的动力电池主动均衡系统具有良好的均衡效果,能够在动力电池的充、放电过程中实时进行均衡控制,但该均衡系统的能量转移效率和系统的稳定性有待进一步提高。

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