混合動(dòng)力汽車(chē)電池均衡方案的研究

4 均衡電路設計

　　對電池進(jìn)行均衡控制的硬件組成主要有MCU控制單元， 電池監控IC， 均衡電路， 以及電源電路，溫度模塊，風(fēng)扇控制電路等。電路結構圖如圖2所示， 電池監控IC 采集各單體電池端電壓， 并實(shí)時(shí)向MCU 發(fā)送數據。上位機通過(guò)CAN 總線(xiàn)與監控IC通信， 將數據實(shí)時(shí)顯示。溫度模塊采用智能化溫度傳感器， 它把溫度傳感器， 外圍電路， A /D 轉換器，微控制器和接口電路集成到一個(gè)芯片中， 對電池進(jìn)行溫度測量、溫度控制并與MCU 進(jìn)行數據通訊。

圖2 均衡電路硬件結構框圖。

　　5 均衡控制策略的制定

　　通過(guò)平衡電壓來(lái)平衡容量的均衡方法在控制時(shí)應兼顧以下幾點(diǎn):

　　( 1)均衡放電電阻R 的選取。均衡電路工作時(shí)， 能量高的電池會(huì )通過(guò)放電電阻以熱能的形式釋放掉， 如果此時(shí)電阻溫度過(guò)高，可能會(huì )造成電路熱失控， 存在安全隱患， 因此， 電阻的值不能過(guò)小; 另一方面， 均衡電流直接決定了均衡時(shí)間， 如果均衡電流過(guò)小，會(huì )使均衡時(shí)間過(guò)長(cháng)， 達不到均衡要求， 而均衡電流的大小是由放電電阻決定的， 電阻值越大均衡電流越小， 因此， 電阻值又不能過(guò)大。綜上，電阻值能否適當選取是均衡效果的關(guān)鍵。

　　( 2)均衡電壓閾值( a) 的設定。電壓閾值的大小直接決定了均衡電路啟動(dòng)及關(guān)閉的時(shí)刻， 若電壓閾值設的過(guò)大，會(huì )導致均衡時(shí)間過(guò)短， 均衡效果不明顯， 達不到要求， 電壓閾值設的過(guò)小， 則均衡時(shí)間過(guò)長(cháng)， 不但白白消耗了能量，且對電池組各電池有害無(wú)益。因此， 需要從電池容量不一致所表現的充放電特征分析， 并結合混合動(dòng)力車(chē)的應用情況來(lái)設置均衡閾值。

　　( 3)均衡模塊的啟動(dòng)和關(guān)閉。在初始上電后，MCU 定時(shí)檢測電池組各單體電壓， 一旦超過(guò)閾值則對需要均衡的單體閉合開(kāi)關(guān)，進(jìn)行放電， 其余單體的開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。之后MCU 會(huì )定時(shí)判斷單體電壓， 重新判斷是否符合均衡條件。如果單體的電壓一致性回到閾值內，則所有均衡回路的開(kāi)關(guān)管均斷開(kāi)， 均衡終止。

　　6 模擬工況測試

　　為了模擬電池均衡模塊在實(shí)際車(chē)輛運行時(shí)的效果， 采用如下測試工況， 并保持室溫在10℃ ~ 20℃之間。此工況測試分兩個(gè)測試程序，一個(gè)是#主放電工況”， 其放電量略多于充電量; 另一個(gè)是“主充電工況”， 其充電量略多于放電量， 并確定SOC 波動(dòng)范圍在30% 至80% 之間。

　　實(shí)驗用電池為錳酸鋰電池( LMi nO4 ) ， 實(shí)際容量8. 6Ah， 額定電壓3. 6V， 內阻3. 7Ω ， 12節串聯(lián)。

　　均衡前后電池充電曲線(xiàn)如圖3 所示， 均衡前電池充電曲線(xiàn)明顯不一致， 電池組壓差最大值約為200mV， 對應的容量差約為20% 。充電時(shí)高容量單體將先達到閾值電壓， 使電池的充入容量明顯降低，僅為7Ah， 大大降低了電池的利用率。( b) 圖為經(jīng)過(guò)35小時(shí)均衡測試后充電曲線(xiàn)圖， 可以看出各單體間基本恢復一致， 壓差不超過(guò)10mV， 充入容量擴大到8. 4Ah。并且經(jīng)過(guò)測量， 實(shí)驗過(guò)程中放電電阻溫度控制在60℃以?xún)龋?不會(huì )出現熱失控等安全問(wèn)題。

　　由上述實(shí)驗可以得到， 此均衡方法可在40小時(shí)內達到電池SOC 的平衡。并且電路工作穩定， 滿(mǎn)足混合動(dòng)力車(chē)輛行駛要求，可以有效的防止電池不一致性的擴大， 實(shí)現了能量的合理配置。

圖3 均衡前后充電曲線(xiàn)對。

　　7 結束語(yǔ)

　　在均衡模塊的硬件設計上充分考慮了測量的精確性，系統的穩定性和抗干擾能力。在制定均衡策略過(guò)程中兼顧了放電電阻的選擇、均衡閾值的選定、均衡的啟動(dòng)和停止等方面。經(jīng)均衡測試證明此電路工作穩定，可以有效的解決電池不均衡的問(wèn)題， 提高了整組電池的使用效率， 對混合動(dòng)力車(chē)具有實(shí)用性。