一种锂电池组的双重均衡充电管理系统_段勇勇

自 动 化 技 术 与 应 用 ２ ０ １ ４ 年 第 ３ ３ 卷 第 ７ 期Techniques of Automation balanced control; DC/DC switch１ 引言电动车相比传统交通工具具有清洁高效等优点，逐渐受到各国重视。锂电池具有单体电压高、能量比高和能量密度高、循环使用寿命长、自放电电流小、无记忆效应、无污染、性价比高等优点，因此锂电池成为电动车的动力源的首选。但是锂电池的不一致性导致电池单体接受电能的能力具有较大差异。充电过程中接受电能较强的电池单体会出现过充电现象，严重损害电池寿命， 甚至发生燃烧、爆炸等恶性安全性事故； 接受电能较弱的电池单体会发生充电不足，致使电池组性能发挥不足，降低电动车单次充电可行驶里程。研究表明， 电池电压与电池组容量具有正相关性， 因此对锂电池的充电电压进行均衡控制，以弥补电池组电池单体的不均衡缺陷， 避免充电过程中发生电池损伤， 延长电池使用寿命。目前， 人们提出许多锂电池组充电均衡方法， 大致可以分为能耗均衡方法和非能耗均衡方法两种。能耗均衡方法在锂电池组充电时使用旁路电阻对充电电压过高的电池单体进行放电均衡，均衡电路简单、可靠性高 ［１］ 。但能耗型均衡方法效率较低，当电池组电压变化较快时不能高效均衡，并会产生热量。非能耗均衡采用电容或者电感等储能元件进行能量转移， 均衡效率高，速度快，并且均衡过程中不会产生热量。但非能耗均衡方法均衡精度低，电路较为复杂、可扩展性差 ［２］ 。单独使用这两种均衡方法，不能达到电池高效精确均衡的目 自 动 化 技 术 与 应 用 ２ ０ １ ４ 年 第 ３ ３ 卷 第 ７ 期84 | Techniques of Automation Applications行业应用与交流Industrial Applications and Communications的， 无法对电池组全面保护。本文设计一种锂电池组的双重均衡充电管理系统，将无能耗均衡方法和能耗均衡法相结合。该系统充分利用两种方法的优点，达到高效精确均衡电池组单体电池电压，保护电池组的目的。该系统在锂电池组充电初始阶段采用恒流充电，当电池电量达到一定值时为转为恒压低速充电。仿真结果表明该系统具有性能高效、稳定等优点。２ 系统方案设计电动车锂电池的双均衡充电系统如图 １ 所示。该系统主要由中央处理单元、电池组参数检测、电池组均衡、电池充电以及显示等模块构成，检测参数作为均衡控制的依据。其中，电压测量使用 ＬＴＣ６８０３ 测量芯片，图 １ 电动车锂电池均双衡充电系统框图图 ２ 开关网络电流检测使用霍尔传感器 Ｌ Ｔ Ｓ Ｒ ２ ５ － Ｎ Ｐ ， 温度检测使用ＤＳ１８２０ 单线数字温度计；均衡模块使用双重均衡方法达到均衡目的。２．１ 电压测量模块电池组均衡系统均衡依据为采样的单体电池电压参数， 参数精度直接影响电池均衡精度， 因此系统电池电压采样系统要求具有较高精度 ［ ５ ］ 。本文电压测量使用 Ｌｉｎｅａｒ 公司推出的 ＬＴＣ６８０３ 测量芯片。它是一款完整的电池监视 ＩＣ，内置一个 １２ 位 ＡＤＣ、一个精准电压基准、一个高电压输入多工器和一个串行接口。每个 ＬＴＣ６８０３ 能够在总输入电压高达 ６０Ｖ 的情况下测量 １２ 个串接电池的电压，所有 １２ 个输入通道上的电压测量都能在 １３ｍｓ 的时间之内完成，测量分辨率为 １ ． ５ ｍ Ｖ ， 准确度为 ４ ． ３ ｍ Ｖ ， 能够很好满足系统设计要求。该芯片与微处理器串行通信， 为防止微处理器损坏增加隔离电路。２．２ 温度测量模块电池单体温度监测可以防止电池单体温度过高而发生危险。温度检测使用 ＤＳ１８２０ 单线数字温度计，包括 ６４ 位激光 ＲＯＭ 、温度传感器等，测量精度可达 ０．５℃。它通过一个单线接口发送或接收信息，每个 ＤＳ１８２０都有一个独特的片序列号，多只 ＤＳ１８２０ 可以同时连在一根单线总线上完成检测，节省单片机 Ｉ／Ｏ 端口资源。２．３ 电流测量模块检测电流参数是系统防止过电流重要依据。本文电流检测使用瑞士莱姆（ Ｌ Ｅ Ｍ ） 集团生产的霍尔传感器ＬＴＳＲ２５－ＮＰ，经过放大电路及调整电路，信号引入到单片机自带的 １ ０ 位 Ａ Ｄ Ｃ 中转换。该芯片工作环境为 －４０℃￣＋８５℃，线性误差小于 ０．１％。精度小于 ０．７％，一次电流测量范围 ０￣８０Ａ，并具有最佳的反应时间。当电池中电流超过设定最高值时单片机控制继电器断开充电电路。２．４ 均衡方案及策略电池组在充电过程中电压变化较快，因此对均衡方案的均衡效率要求较高。本文的均衡方法结合了耗散型均衡方法的精度高、电路简单、可扩展性强和非耗散型均衡方法的均衡效率高的优点，弥补各自缺陷达到高效精确均衡的目的。电池均衡系统以电池单体电压为均衡基础。单片机控制监测芯片采样各单体电池的电压值 Ｂ Ｖ ｎ （ ｎ ＝ １ ，２， ８），对采样各单体电池电压值进行比较，标记 自 动 化 技 术 与 应 用 ２ ０ １ ４ 年 第 ３ ３ 卷 第 ７ 期Techniques of Automation Applications | 85行业应用与交流Industrial Applications and Communications电压最高、最低的单体电池 Ｍ 和 Ｎ ， 及电压最接近平均电压的单体电池 Ｌ ， 并计算各电池单体与电池单体 Ｌ 间的电压差 ＢＣｎ（ｎ＝１，２， ８）。在电池单体充电过程中， 当单体电池 Ｎ 的电压差ＢＣｎ 大于 ０．００５Ｖ 时，启动非能耗型均衡模块（目的）。该模块采用高效率 Ｄ Ｃ ／ Ｄ Ｃ 开关电源利用电池组的电量对单体电池 Ｎ 进行额外均衡充电以实现补偿充电，充电时间根据电压差智能调节。因单片机的 Ｉ／Ｏ 端口有限，为减少均衡充电端口， Ｄ Ｃ ／ Ｄ Ｃ 均衡电路使用 ３ － ８ 译码器控制开关网络。开关网络网络如图 ２ 所示。当单体电池电压 Ｍ 的电压差 ＢＣｎ 大于 ０．００５Ｖ 时，启动能耗型均衡模块。该模块使用电压采集芯片 ＬＴＣ６８０３ 中的相关联的 Ｍ Ｏ Ｓ Ｆ Ｅ Ｔ 开关控制电阻网络对单体电池 Ｍ 进行分流均衡以防其过充电， 分流时间根据电压差智能调节。该均衡系统能耗性均衡方法采用电压测量芯片自带的均衡模块，电路简单可以同时对多路单体电池进行放电均衡，更有效防止单体电池过充电；非能好型均衡方法采用整个电池组电量对电压较低单体电池进行补偿充电，相比较与现有的能耗型均衡方法，电路更加简单、稳定性更高同时可扩展性能也更加优越。３ 电池组均衡管理系统的硬件电路图 ３ DC/DC 开关电源电路图本文电阻网络为恒定电阻， 为了提高均衡精度， 需要选取阻值比较大得电阻，经过仿真选用 ５０ Ω，能够较好满足设计。本系统中高效率 Ｄ Ｃ ／ Ｄ Ｃ 开关电源使用ＰＯＷＥＲ 公司生产的 ＤＰＡ４２２ＰＮ 集成芯片 ［３］ 【 ４ 】 关输入端为电池组电压为 ２８Ｖ￣３６Ｖ，输出端电压为 ４．２Ｖ，电流为０．５Ａ。经过软件仿真测试，该开关输出电压偏差为 ２％，电流偏差为 ５％ ，符合均衡使用条件 ［５］ 。ＤＣ／ＤＣ 开关电源电路图如图 ３。４ 系统软件设计图 ４ 主程序流程图 自 动 化 技 术 与 应 用 ２ ０ １ ４ 年 第 ３ ３ 卷 第 ７ 期86 | Techniques of Automation Applications行业应用与交流Industrial Applications and Communications本文使用 Ａ Ｖ Ｒ 单片机控制电压、温度、电流集成芯片对电池组参数进行检测， 并对采样参数进行处理，标记需要完成需要均衡的单体电池并计算均衡时间，完成均衡控制。系统软件使用 Ｃ 语言采用模块化编程，该程序主要包括检测模块和控制模块。主程序的流程图如图 ４ 所示。图 ６ 不使用均衡仿真结果图 ８ 仿真结果图 ７ 使用均衡仿真仿真结果图 ５ 仿真原理图５ 仿真实验本项目设计使用 Ｍ Ａ Ｔ Ｌ Ａ Ｂ 中 Ｓ Ｉ Ｍ Ｕ Ｌ Ｉ Ｎ Ｋ 搭建系统平台进行仿真，系统采用系统元件电池模型 ［６］ 。使用恒流源（１Ａ）模拟 ３ 节电池充电过程对系统进行均衡仿真。仿真原理图如图 ６ 所示、仿真结果如图 ７ 所示。仿真时间采用 １８００ｓ。由仿真图 ６ 和 ７、８ 对比可知，当不使用均衡模块时单体电池电压差大于 ０．０５Ｖ，电压差较大。当使用均衡模块以后，系统能够较快调节单体电池电压差，并且电池电压差小于 ０．０００２Ｖ，电池最大电压差降低两个数量级。仿真结果表明该设计能够较好对锂电池组进行均衡控制， 该系统符合设计要求。６ 结束语本文将耗散型均衡方法的精度高、电路简单、可扩展性强和非耗散型均衡方法的效率高的优点相结合，设（下转第 ９６ 页） 自 动 化 技 术 与 应 用 ２ ０ １ ４ 年 第 ３ ３ 卷 第 ７ 期96 | Techniques of Automation Applications行业应用与交流Industrial Applications and Communications本系统采用的编码器为欧姆龙增量式光电旋转编码器，其型号为 Ｅ６Ｂ２－ＣＷＺ６Ｃ，脉冲数为 ５００／ 转，输出两组 Ａ ／ Ｂ 相位差 ９ ０ 度的脉冲。４ 控制系统软件设计４．１ 系统的软件流程图该电梯模型的 Ｐ Ｌ Ｃ 主要实现电梯的集选控制原则［４］ 。即顺向消号、反向保号原则；自动开关门原则；顺向截车原则；本层呼叫重开门原则；自动平层等等。ＰＬＣ 控制主流程如图 ５ 所示。４．２ PLC 程序设计根据 ＰＬＣ 控制功能流程和 ＰＬＣ 的 Ｉ ／Ｏ 地址分配表［ ５ ］ ，以轿厢指令信号的控制为例， 进行梯形图程序的设计，如图 ６ 所示。５ 电梯模型在实验教学中的应用为了培养学生对机械、电气方面专业知识的综合运用能力， 在该电梯教学模型实验装置上， 我们已开设了下列一些实验（１）电梯结构原理认识及操作；（２） 电梯 作者简介 吴会敏（ １ ９ ７ ５ － ） ， 女， 讲师， 工学硕士， 从事电气控制 方 面 的 教 学 与 研 究 。图 ６ 梯形图程序的 ＰＬＣ 程序控制设计与调试；（３） 电梯常见故障排除等。电梯的 Ｐ Ｌ Ｃ 控制设计与调试实验是该实验装置的主要功能之一， 根据有无司机和有无调速控制及层楼数的变化等不同的控制要求，可进行多种控制软件编制和调试实验，内容丰富多彩，有利于培养学生的独立工作能力，实验效果良好。同时，ＰＬＣ 控制程序设计与控制对象紧密结合， 真实感强烈， 学生的实验积极性普遍提高。６ 结束语该电梯模型系统已在我院楼宇智能化实训室通过测试， 并已经应用于电梯控制技术的教学中， 取得了良好的教学效果。实践结果表明，该模型电梯系统具有很高的教学实用性，能够很好地帮助学生学习 ＰＬＣ 课程并使其对电梯控制系统有一定的感性认识。参考文献［１］ 陈家盛．电梯实用技术教程［Ｍ］．北京中国电力出版社，２００８．［２］ 西门子（中国）有限公司．西门子公司Ｓ７２００可编程控制器系统手册［Ｚ］．２００６．［３］ 罗锋华，房驰．西门子 Ｓ７ ２００ ＰＬＣ 及变频器在电梯控制系统中的应用［Ｊ］ ．电机与控制应用，２０１０，３７（１１）４２－４５．［４］ 邱炎儿．ＰＬＣ在电梯教学模型中的应用［Ｊ］．机械管理开发，２００７，（６）５３－５４．［５］ 焦宇敏． ＰＬＣ与变频器在电梯控制过程中的运用［Ｊ］．机床电器，２０１０（２）４３－４５．［６］ 周平，程全芷．基于行为导向教学法 ＰＬＣ 课程实训单元设计［Ｊ］．信息技术．２０１３（３）３６－３８．（上接第 ８６ 页）计了一种锂电池双重均衡管理系统，实现了对电动车锂电池组高效精确均衡的功能。经过仿真实验表明本系统可以在充电过程中对电池组中单体电池进行高效精确均衡， 不仅可以防止电压较高单体电池过充电， 还可以实现对电压较低单体电池补偿充电。此外，该系统还可以用于电动车放电过程的均衡。参考文献［１］ 陈广．双向均衡的电动汽车电池管理系统设计［Ｄ］．湖南大学硕士学位论文，２０１１．［２］ 杨傲驰．锂离子电池组模块化均衡系统研究［Ｄ］．哈尔滨工业大学硕士学位论文 ２０１０．［３］ 何希才．稳压电源电路的设计与应用［Ｍ］．北京中国电力出版社，２００６．［４］ （日）长谷川 彰著．何希才译．开关稳压电源的设计与应用［Ｍ］．北京科学出版社，２００６．［５］ 王兆安，黄俊．电力电子技术［Ｍ］．北京机械工业出版社２０００．［６］ 王晶，张有兵著．电力系统的 ＭＡＴＬＡＢ／ＳＩＭＵＬＩＮＫ 仿真与应用［Ｍ］．西安西安电子科大，２００８．作者简介 段勇勇（１ ９ ９ １ －） ，男，在读学士，研究方向锂电 池 均 衡 技 术 研 究 。