一种能量转移型锂电池组均衡充电电路的设计

第 49 卷 第 6 期 厦门大学学报 ( 自然科学版 ) V ol. 49 No. 62010 年 11 月 Journal of Xiam en U niversity ( Natural Science) Nov. 2010一种能量转移型锂电池组均衡充电电路的设计陈建清 , 沈汉鑫 , 缪传杰 , 陈文芗 *( 厦门大学物理与机电工程学院 , 福建 厦门 361005)收稿日期 : 2010 02 26* 通讯作者 : w xchen@ xmu. edu. cn摘要 : 针对现有均衡充电方法的 缺点 , 提出了一种基于能 量转移 的锂电池 组单体 电池均 衡充电 方法 , 详细分 析了该 方法的 工作原理并通过实验对所提出的均衡电路进行了分析与论证 . 结果表明 , 该方法具有结构简单、 效率高的 优点 , 能 有效地解决串联锂电池组充电不平衡问题 .关键词 : 串联锂电池组 ; 均衡充电 ; 能量转移型中图分类号 : T P 17 文献标识码 : A 文章编号 : 0438 0479( 2010)06 0812 03目前国内外对动力锂电池组单体电池进行平衡的方法很多 , 主要有能量消耗型、 能量转移型等 [ 1] . 能量消耗型均衡方案采用功率电阻作为分流元件 , 其结构简单 , 成本低 , 改善了锂电池组的不平衡性 [ 2] , 但能耗浪费电能 , 使得效率低下 , 并且温升降低了可靠性 , 因而只能过较小电流 . 能量转移型单向能量变换器在监视单体电池电压的基础上 , 采用光电耦合器控制变压器两端能量的变换 [ 3] , 但单向均衡不适合主动均衡 . 能量转移型双向型能量变换器从高压单体直接把能量变换到低压单体 , 动态调整输入输出方向 , 具有最佳的均衡效率 [ 4] , 但因能量变换器采用变压器 , 结构复杂 , 体积较大 , 成本相对较高 . 为克服以上均衡方法的缺点 ,本文提出一个结构简单、 体积小、 效率高的双向能量转移型动力锂电池组均衡方案 .1 电路原理本文采用的均衡电路是 能量双向流动的 Cuk 电路 , 其整体架构可见图 1.每两个 电池组 成一 个均衡 单元 , 如图 1 中 电池EB1 和 EB2 组成第一个均衡单元 , 储能电容 C1 ; 储能电感 L 1 、 L 2; 开关 Q1、 Q2 组成了均衡电路 . 当 E B1 和 EB2产生不平衡时 , 该均衡电路在相位相反的两个方波驱动下交替开关 , 通过储能元件构成的能量交换通道逐次地把电压高电池的电荷搬移到电压低的电池中 , 直至两个电池平衡为止 . 从图 1 中可以看到 , 为了使整个图 1 锂电池组单体电池均衡总体方案图F ig. 1 lithium battery pack balanced overall diagram串联电池组的电池都能达到平衡 , 每相邻的两个电池都要组成一个均衡单元 .图 2 给出了一个均衡单元的拓扑图 , 通过这个图可说明均衡单元的工作原理及过程 , 其它均衡单元的工作过程是相同的 .电路处于均衡状态时 , 两个开关管 Q1 和 Q2 都是关断的 , 这时储能电容 C1 上的电压为两 个电池 E B1、EB2 电压之和 : VC1 = V B1+ VB2 .图 2 均衡电路图F ig. 2 Balanced cir cuit若两个 单 体电 池电 压出 现 不均 衡 , 假 设 VB1 >VB2 , 均衡器开始 工作 , 同时 假设电容 C1 的容量足够大 , 在整个工作期间电容电压不发生变化 , 在方波驱动下 , 开关 Q1 和 Q2 交替打开 , 下面就 Q1 导通 Q2 断开和 Q1 断开 Q2 导通两种情况进行分析 :在 t0~ t1 阶段 , Q1 导通 Q2 断开 , 图 2 电路可化简为图 3.图 3 Q1 导通 Q2 断开时等效电路图Fig. 3 Equivalent cir cuit when Q1 on and Q2 off在 a 回路中 , 流过电感 L 1 的电流为i L 1 =tt 0E B1L 1 dt =E B1L 1 t + I L 1 ( t0) ,( t 0 t t 1 ) ; ( 1)在 b 回路中 , 流过电感 L 2 的电流为i L 2 =tt 0V C - EB2L 2 dt =EB1L 2 t + IL 2 (t 0) ,( t 0 t t 1 ) ; ( 2)在 t1~ t2 阶段 , Q1 断开 Q2 导通时图 2 电路可化简为图 4 .图 4 Q1 断开 Q2 闭合时等效电路图Fig. 4 Equivalent cir cuit when Q1 off and Q2 on在 c 回路中 , 流过电感 L 1 的电流为i L 1 = -tt1V C - EB1L 1 dt = -E B2L 1 t + IL 1 ( t1 ) ,( t 1 t t 2 ) ; ( 3)在 d 回路中 , 流过电感 L 2 的电流为i L 2 = -tt1E B2L 2 dt = -EB2L 2 t + I L 2 ( t1 ) ,( t 1 t t 2 ). ( 4)综合式 ( 1) 、 ( 2) 、 (3) 、 ( 4) , 在 E B1 > E B2 情况下 , 流过电感 L 1 、 L 2 电流波形如图 5.通过图 5, 我们分别分析 i L1 和 i L2 的变化趋势 , 假设两个电感的电感量相等 L 1 = L 2, 开关 Q1 和 Q2 由方图 5 流过电感 L 1 、 L 2 电流波形图F ig. 5 Curr ent waveforms of tw o inducto rs波驱动 , 同时考虑我们假设 V B1 > VB2 的条件 , 在 t0 ~t1 阶段 , i L 1 和 i L 2 上升的斜率 EB1L 1 、E B1L 2 要大于在 t1 ~ t2阶段电流下降的斜率 EB2L 1 、 E B2L 2 , 因此当波形稳定后 , 有I L 1 ( t 1) > I L 1 ( t0 ); I L 2 ( t1 ) > I L2 ( t0 ) , 电流 i L 1和 iL 2的平均值均为正值 , 即 : i C L 1 > 0 和 i C L 2 > 0. 进一步 , 从图 3可以看到 , 电流 i L 1的方向与电池 V B1 输出电流方向相同 , i CL 1 > 0 表明电池 VB1 此时是输出电流 ( 放电 ) , 电流iL 2 与电池 V B2 输出 电流方向相反 , i C L 2 > 0 表 明电池VB2 此时是输入电流 ( 充电 ). 以上分析表明 , 当电池出现不平衡时 , 电压高的电池向电压低的电池放电 , 电压低的电池通过电压高的电池充电 , 这一过程直至两电池达到平衡为止 .2 实 验为验证上述 原理 的正确 性 , 进行 了实 际电 路实验 , 实验电路参数 : L 1 = L 2 = L 3 = L 4 = 100 H , C1 =C2 = 1 000 F, 开 关 管 采 用 型 号 为 IRLL2705 的NMOS 管 , 驱动脉冲 频率为 20 kH z, 占空 比为 D =0. 5, 电池 采 用 10 A 时锂 电 池 , 初 始电压分 别控制为 : V B1= 3. 9 V, VB2 = 3. 75 V, V B3 = 3. 3 V. 为了测得电感电流 , 在图 2 电路中电感 L 1 串上一个 0. 05 的电阻 .图 6 显示了实验中电感两端的电压 uL 1 ( 以 A 为参考点 ) 和电流 i L 1 的波形 , 同时流经电感的平均电流在 400 mA 左右 , 这表明两电池之间的平衡电流为 400mA, 电池处于 0. 05 C 的充放电状态 , 符合锂电池平衡电流的最佳情况 . 改变电感量或者改变驱动信号频率 ,可改变平衡电流 .每隔 20 min 左右测量一次单体锂电池电压 , 3 个单体电池的电压在平衡过程随时间变化曲 线如图 7 所示 .!813!第 6 期 陈建清等 : 一种能 量转移型锂电池组均衡充电电路的设计图 6 电感两端的电压 uL 1 和 iL 1 电流的实验波形图Fig. 6 V oltag e and cur rent waveforms of experience由图 7 看到 , 初始电压低的电池随平衡过程的进展逐步上升 , 初始电压高的电池随平衡过程进展逐步降低 , 两个单体电池的电压最终趋于相等 , 这说明了该电路具有较好的平衡效果 .3 结 论实验能够很好地实现 两个不平衡电 池之间的平衡 . 通过改变电感量及驱动频率 , 可控制电池的充放电电流 . 电路在工作过程中 , 电感、 电容等器件并没有出现发热现象 , 具有能量转换型平衡电路的特点 . 这些特点都说明该电路在大容量锂电池的平衡充放电中具有优势 , 可用于实际工作中 .图 7 各单体电池电压趋势图F ig. 7 T endency of each sing le battery voltate参考文献 :[ 1] 陈守平 , 张军 , 方 英民 . 动 力电池 组特 性分 析与均 衡管 理[ J] . 电池工业 , 2003, 8( 6) : 1 9.[ 2] 李灵杰 , 叶利 福 , 詹群 峰 . 动力锂 电池 组充 电管理 电路 设计 [ J] . 厦门大学学报 : 自然科学版 , 2008, 47( 5) : 1 4.[ 3] Park H S, K im C E, M oon G M , et al. Charge equalizationwith series coupling of multiple primary w inding s for hybrid electric vehicle Li ion batter y system[ J]. Power Electro nics Specialists Conference, 2007, 17( 21) : 266 272.[ 4] Nishijima K, Sakamoto H , Ha rada K. A PWM contr olledsimple and high perfor mance batter y balancing system[ C] / / Processdings of IEEE Power Electr onics SpecialistsConference. Japan:IEEE, 2000: 517 520.Design of an Energy Transfer type Balanced ChargingCircuit for Lithium Battery PackCH EN Jian qing, SH EN Han xin, M IAO Chuan jie, CH EN Wen xiang *( School of Physics and M echanical charge balance; energy transfer!814! 厦门大学学报 (自然 科学版 ) 2010 年