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用于电动汽车的锂离子电池充电均衡算法
摘要
由于锂离子电池相对于其他电池具有更好地性能，锂离子电池经常被用于电动汽车领域。然而，锂离子电池有一些缺点，例如过充电的电池其有爆炸的危险，充电不足的电池最终会降低电池的寿命周期，串联电池组的不均衡充电会逐渐减少总的电池容量。本文提出了一种在电动汽车领域中应用的锂离子电池充电均衡算法，这种算法可以增强电池的性能，使用周期和安全性。这个算法被应用在标称值为15.5Ah和3.7V的串联电池组，对每个电池使用一个采用双向反激式DC-DC转换器作为电池的充放电通道的集成电路来达到对这个八节电池的电池组的监测和均衡。得到的结果表明，开发的电荷均衡控制器（CEC）算法在均衡欠充电和过充电的电池以及使电池保持在3.81V的安全工作电压范围这两方面均表现得很好。在验证充电均衡器的性能的过程中，发现被提出的算法在平衡性，均衡速度，低功率损耗和高效率方面胜过其他研究。因此，所提出的电池充电均衡算法实现了一个将电池充电模块化的高效的自动化系统，这个系统可以提高电池的安全性和使用寿命。
关键词：电荷均衡算法，锂离子电池，锂离子电池的充放电，IC的监控，电动汽车
1 简介
当今社会，道路上主要是使用化石燃料作为动力源、内燃机作为发动机的汽车。然而，使用化石燃料会造成一些环境问题，而且未来会有能源短缺的风险。这都揭示了发展纯电动汽车的必要性。电动汽车的工作是基于储存在电池包中的电能，而这个电能的最终来源是发电厂。此外，在电动车中应用的再生制动系统有助于减少电能浪费。在车辆的制动过程中，再生制动系统会吸收能量，并转化为电能反送给电池组。电动汽车的一个重要特点是电能会被高效的用于电动机和电动汽车的其他的基本系统。电动汽车被归类为一个具有高发动机效率，零尾气污染，无燃料蒸发的系统，这都使它作为“零排放车辆”而被熟知。
现今已经有许多寻找开发可以为电动汽车提供较高能量存储容量的电池包的努力。目前，锂离子电池在电动汽车中被使用的一种比较著名的电池，因为它相比于其他电池有独特的特性和更好的性能。锂离子电池有高的能量和功率密度、高容量、无记忆效应、长生命周期、较低的自放电、受温度影响小的特点。然而，它也有一些缺点，例如过充电的电池其有爆炸的危险，充电不足的电池最终会降低电池的寿命周期，串联电池组的不均衡充电会逐渐减少总的电池容量。控制电池充电的电池管理系统（BMS）对于增强电池的性能、寿命周期和安全性至关重要。因此，BMS必须高效地管理电池充电均衡。
一系列具有充电均衡控制的BMS的发展成果已经被用来服务现有的EV系统，并且满足了它们的最低需求。然而，现有的BMS在电池充电均衡方面仍然存在一些问题。比较常见的解决方法是使用电阻分流，电池通过分流电阻放电，这种方法的设计、控制和执行都十分简单。然而，电能以热能的形式在电阻上损失，这种方法减少了电池的工作时间。通过开关电容实现均衡控制的方案在控制和执行方面都很简单。开关电容均衡方案是一种能量转移电池均衡方案，电容器被用作一个电能存储器来将高电压的电池的过剩电能转移至低电压电池。但是这种方案无法做到完全均衡，因为在开关上存在压降。基于电感和变压器的均衡控制方法在EV应用中有效。一个具有独立的转换器模块的集中式多绕组变压器横跨每个电池单元。
当发生过充电时，相应单元的对应开关导通，并且所有绕组两端的电压由过充电的电池单元决定。该系统具有有效的低成本，但它具有磁化损耗，电压和电流应力，效率，高损耗和实现问题。诸如降压 - 升压，谐振的功率转换器也是能量转化的单元平衡方法，并且由于其高均衡速度，高效率和可靠性而在EV中高度使用。他们包括双向DC-DC转换器和开关。系统每次会选择两个电池进行平衡，能量从具有较高能量的电池流动到具有较低能量的电池。但是，一次不能连接多于两个单元，并且该系统需要非常复杂的程序，设计和控制策略，而且十分昂贵。对于用于EV的有效能量存储系统来说，仍然需要更多的研究和开发以改善BMS的性能。因此，本文提出了使用监控集成电路（IC）实现的电荷均衡算法。每一个IC能够监视高达12个的一个系列的电池单元，同时也能够与其他IC串联连接和通信，以监视多达数百个电池单元。为了验证和开发这个算法，我们使用一个IC来监视和均衡8个电池单元。该方案法是使用两个反激DC-DC转换器作为电池组的充电和放电通道的主动均衡。监视IC与作为微控制器的NImyRIO通信，并且执行模块化算法。这个项目从电荷均衡算法的设计和使用MATLAB / Simulink的仿真开始。然后，在实验中进行模型开发。控制程序内置在LabVIEWworks中以控制监控IC和整个系统。提出的BMS方案被证实是一种将电池充电模块化以提高电池的安全性和生命周期的有效的自动控制系统。
2 电池充电均衡的概述
在这项工作中，一个均衡控制算法得到了开发，电池组的电荷被模块化，而不是以热量的形式散失掉，或者从外部源获得电能以及放电到外部储能设备。所有单元共享一个DC-DC转换器并降低电路复杂性。
2.1 电池充电均衡
电池充电均衡化是必需的，以通过将过量能量转移到电池组来平衡过充电电池的电池充电水平，或者通过从电池组馈送所需的电荷来均衡充电不足的电池的电池充电水平。所提出的电池充电均衡算法被分为两部分：包括微控制器和反激式DC-DC转换器的主控板以及具有电池单元测量装置和双向单元开关的模块板，如图1所示。微控制器与监视IC通信，监视IC负责监视单元状态和控制双向单元开关的通断。基于各个单元的状态，微控制器执行充电均衡算法，并且为反激式DC-DC转换器产生调节的PWM信号，通过对过充电电池放电或通过对欠充电电池充电来保护和均衡电池单元。反激式DC-DC转换器在充电或放电过程中提供电流流动的通道。单元开关可将一个特定单元通过反激式DC-DC转换器连接到到电池组，实现基于电池过充电或者欠充电状态的放电和充电。
图1 均衡控制系统（a）框图和（b）示意图
通过监视IC的相应输出控制引脚来控制相应的双向单元开关S 1接通来完成对处于欠充电状态的单元1（假设）的均衡。然后，控制器产生用于降压反激转换器的开关Q 1的调节的PWM信号，以实现从电池组向未充电的电池充电。类似地，被检测到的处于过充电状态的电池单元8可以通过激活相应的双向单元开关S8并且将相应的的PWM信号发送到升压反激转换器的开关Q 8来实现向电池组放电。在均衡周期T e期间从电池组转移到欠充电电池单元Q 1（T e）的能量的量可通过等式（1）得到，即在该段时间内从电池组释放的平均能量，反之亦然 。并且电池组放电的平均功率P out_avg等于平均输入功率P in_avg乘以转换器效率eta;，即等式（2）。
2.2 锂离子电池的特性
锂离子电池是目前最有前景的电池技术之一，并且在电池领域具有高的潜力，特别是在电动车辆中的能量存储应用。 锂元素是最轻的元素之一，它具有高反应性和极佳的电化学性能，这使其成为电池的理想材料。使用锂离子代替金属锂，使得在反应中不形成金属锂。锂离子电池与其他类型的电池相比，具有高能量密度、良好的寿命周期、更高的电池电压、易维护性并且对环境友好。此外，锂离子电池在空闲状态下没有记忆效应，并且有较低的自放电率。尽管锂离子电池在电气，机电，热和机械冲击方面存在一些安全问题，但是它们仍然可以用合适的电池管理系统来管理。高的生产成本是这种电池开发的主要问题。图2示出了15.5Ah锂离子电池的模型，实验数据显示了在各种电荷状态（SOC）值下的开路电压（OCV）特性，通过图2的曲线拟合近似获得的等式（3）很好的说明了两者之间的关系。可以使用等式（3）来估计电池的SOC，这是开发充电均衡控制器算法所需要的。锂离子电池的实时SOC可以通过等式（4）估计，其中SOC 0是初始SOC，C是电池的标称容量。
2.3 反激式变换器模型
本文提出的系统中使用了双向反激式DC-DC转换器将能量从电池转移到电池组来实现均衡，反之亦然。反击式转换器如图3所示。反激式DC-DC转换器的PWM切换信号的最大占空比D max应控制开关工作在如等式5所示的电压应力的安全区域中。DC-DC转换器的变压器的匝数比n，滤波电容器的大小C f以及变压器的互感L m的大小可以使用公式（6）- （8）来计算。转换器效率被认为是85％，通过设置反激变换器的互感大小，变压比，电压传输因子和功率转换器的滤波电容器大小来调节所需的转换器输出功率，使得转换器在允许的电压/电流应力下用于均衡。
图2. 锂离子电池的开路电压特性
图3. 反激式DC-DC转换器的典型电路图
其中V in_min和V in_max是电池组电池的最小和最大电压，V ds_min和V ds_nom是开关上的最小和标称电压应力，N 1和N 2是初级匝数和次级匝数的匝数，V out 是输出电压，P in是输入功率，f是开关频率，eta;是转换器效率。
3. 充电均衡算法
模块化方法是采用主动均衡方法。 监控IC是监测电池单元的状态的传感器。监控IC读取电池单元的电压大小并与微控制器通信。微控制器从监控IC收集数据，然后估计SOC并将该结果与阈值集合进行比较，检测不均衡的单元，并向监控IC发送指令以激活检测到的单元相应的双向开关和反激式DC-DC的工作，以根据提出的充电方案实现充电均衡。提出的电荷均衡的流程图算法如图4所示。电荷均衡算法基于从监视IC获得的电池单元的电压读数的SOC进行判定。充电均衡算法包括过充电和欠充电电池的充电均衡，以及电池组中的不平衡充电。
图4. 提出的电荷均衡算法的流程图
以下是提出的充电均衡算法的步骤：
- 初始化系统。
- 记录电池单元的电压读数V i，并按降序排列为V 1到V 8。
- 检查电池单元的状态是否正常。如果电池单元正常工作，则跳转至步骤2，如果发现电池单元异常，执行下一步。
- 检查电池的状态，如果V 1gt; V max，则有电池单元过充电。
- 执行过充电模块并转到步骤7。如果V 8 lt;V min; 则有电池单元欠充电。
- 执行放电模块并转到步骤7。
- 启动单元均衡工作。
- 估计对应电池单元的SOC i。
- 检查放电平衡的SOC值。如果SOC 1gt; OSOC，则SOC 1的相应电池单元为分类为过充电电池，其中SOC 1为电池单元最高SOC读数，OSOC是过充电电池SOC的阈值，对应于V max。
- 执行放电模式。
- 控制与检测到的电池单元相对应的双向MOSFET开关，产生用于对过充电电池单元放电的PWM信号，控制升压反激DC-DC转换器，并允许均衡电流用于放电。
- 检查放电单元的平衡。 如果| SOC 1 -SOC avg |gt; 2％; 相应的电池是不平衡的，其中SOC avg是所有电池单元的平均SOC，| SOC 1 -SOC avg | 是Delta;SOC， 则跳转至步骤7；否则 电池是平衡的，跳转至步骤2。
- 检查SOC值以进行电荷平衡。如果SOC 8 lt;USOC，则SOC 8的相应电池单元被分类为欠充电电池，其中SOC 8是电池单元的最低SOC读数，USOC是欠充电电池SOC的阈值 其对应于V min。
- 执行充电模式。
- 控制与检测到的电池单元相对应的双向MOSFET开关，产生用于对欠充电电池单元充电的PWM信号，控制降压反激DC-DC转换器，并允许均衡电流充电。
- 检查充电电池的平衡; SOC 8 -SOC avg |gt; 2％; 相应的电池是不平衡的，其中| SOC 8 -SOC avg | 是Delta;SOC.跳转至步骤7；否则电池是平衡的，转到步骤2。
该算法重复进行以保持电池充电均衡过程的连续执行。
4. 原型实现
4.1 硬件配置
硬件部分被分为两部分：主板：微控制器和用于充电均衡的DC-DC转换器，以及测量和电池监测装置所位于的模块板。系统的硬件实现电路图如图5所示。根据设计要求将所有硬件部件设置在一起并确认均衡控制开关状态来初始化系统。通过检测未受保护或未均衡的电池单元来开始均衡算法操作。
图5. 实验硬件设置
在主板中使用的微控制器是National Instruments NI myRIO，其主要功能是与监控IC通信并为DC-DC转换器生成PWM信号。反激式DC-DC转换器是充电和放电过程中的电流流动的通道。当MOSFET开关在PWM信号的占空比ON时导通时，过充电单元向变压器的初级线圈充电。当开关在PWM信号的占空关断阶段打开时，初级线圈中存储的能量被传送到次级线圈，并且在过度充电的电池放电期间，电荷移动到电池组。重复该循环以实现电池平衡。 对处于欠电压状态的电池，这个过程是相同的，其中反激DC-DC转换器处于反向，均衡充电电流从电池组传送到所选择的欠充电电池。在该系统中，反激式DC-DC转换器由来自频率为40 kHz的微控制器的PWM信号控制。转换器在闭环系统中工作，其中通过反馈自动调整PWM信号的占空比使转换器的输出保持和校正在最小误差范围内。模块板中的主要组件是锂离子电池单元，监控IC和MOSFET单元开关。所使用的监控IC是LTC6804-2，是Linear Technology为电池管理系统专门生产的。每个IC可以监视多达12个电池，最多可
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