张金龙，夏超英

(天津大学自动化学院，天津300072)

1 引言

面对严峻的环境和能源问题，电动汽车(EV)以其低噪声和零排放的优点，成为了研究热点。蓄电池是EV的动力环节，但其单体端电压普遍较小，研究表明整个电池组的有效容量会受最小容量单体电池的影响［1］。若单体间的电压差异得不到及时的平衡和抑制，这种不均衡性就会随电池的充放电循环不断加剧，最终会影响整个电池组的工作。因此有效的电池组均衡系统具有很强的现实意义［2-3］。

本系统的硬件结构采用的是一种双向非耗散型电流分流电路，这种均衡方式可以将相邻两个电池单体中电压较高的单体的能量转移到电压较低的单体中，而电能转移的媒介就是储能电感。

2 硬件电路的实现

整个系统的结构如图1所示。主控芯片采用TMS320LF2407，首先通过光耦选通和信号采集调理电路将电池电压通过AD通道输入DSP;然后经过均衡比较逻辑生成MOSFET开关管的PWM控制信号;此信号经过驱动环节即可用于驱动MOSFET，从而控制均衡电路的工作状态;此外系统还通过 SCI实现了与PC机的通信，并具有备用的CAN接口。

本系统在具体的硬件实现中通过资源合理配置实现了信号控制电路与均衡电路的集成。图2是均衡电路的整体结构;图3则给出了单个均衡模块中驱动环节，均衡电路以及电池组之间的连接图［4］。

图1 均衡系统结构框图Fig.1 Structure of balancing system

图2 均衡电路整体结构Fig.2 Structure of balancing circuit

如图2所示，电池组是由多节单体电池串联而成，每相邻的两节单体n和n+1都连接着一个均衡模块，因此对于包含n节单体的串联电池组而言共需要n－1个均衡模块。这种结构可以保证在电池组中，能量会从电压较高的单体转移到电压较低的单体。

图3 均衡模块n的电路图Fig.3 Circuit of balancing module n

每个均衡模块的电路设计如图3所示，光耦隔离驱动芯片HCPL050L用于实现MOSFET的栅极驱动，为了实现信号控制电路与均衡电路的集成，此处直接选用HCPL050L对应的电池单体作为其供电电源。这种措施充分利用了电池资源，在实现电路集成的同时还简化了电路板布局。在每个均衡模块的上下桥臂分别采用P沟道和N沟道两种类型的MOSFET，P沟道 MOSFET开关 FDS4435的源极与对应电池单体的正极相连，N沟道 MOSFET开关FDS6690的源极则与对应电池单体的负极相连。

上桥臂开关 FDS4435导通时，单体 Bn会有一部分能量转移到储能电感中，当 FDS4435关断后，储存在电感中的能量则会以续流的方式转移到单体Bn+1中;同理，下桥臂的FDS6690进行开关动作时则会实现能量的反向传递。开关器件的通断由控制器输出的PWM脉冲进行控制，调节PWM占空比的大小，可调节能量转移的速度。需要注意，由于上下两个开关分别为 P沟道和 N沟道，因此其要求的PWM驱动信号的有效极性也是不同的，FDS4435的驱动信号为低电平有效，对FDS6690则为高电平有效。为满足开关的驱动需求并提高信号驱动能力，在光耦元件的前级分别采用了同相输出缓冲器和反向输出缓冲器。

3 均衡系统软件设计

本系统采用的均衡电路虽可实现双向均衡，但是所用到的开关器件数目相对较多，对于有n节电池单体串联的电池组而言，共需要2n－2个 MOSFET开关;此外还包括n－1个用于能量转移的储能电感。为了确保这些器件都能正常工作，就必须设计一套高效而可靠的开关控制策略以及相关的保护逻辑。

图4为均衡控制子程序流程。在进行均衡之前首先对电池电压状态进行判断，即只有当电池组中所有单体电压都处于正常范围时(2.5～3.8V)，程序才会转入均衡程序，否则就会将所有PWM输出置为无效，此开关保护措施可有效防止在装卸电池单体时MOSFET发生误导通。而后均衡控制的核心部分即模块分组均衡策略，以下对其进行详细介绍。

图4 均衡控制子程序流程Fig.4 Flow chart of balance control program

本系统的均衡过程实际是一个先放电再充电的过程，即把从电压较高的单体中放出的电能充入电压较低的单体中。LiFePO4电池本身具有高效输出能力，输出电流可达2～5C，但是可接受的充电电流相对则较小，如本实验中用的LiFePO4电池标准充电电流仅1/3C。当均衡电流大于一定值时，就会导致放出的能量不能被顺利充入目标电池中，从而引起电感饱和甚至会损害电池。本文提出的模块分组均衡策略就是为了提高电池的充电电流接受能力。

研究表明，当用较大电流对锂电池充电时，如果能够暂时性停止充电，可以有效抑制极化，从而提高电池的充电接受能力［5-6］。

根据这一特点，本文设计了一种模块分组均衡策略。首先将与电池组相连的所有均衡模块分成两组，参考图2结构，第一组对应左侧2，4，6…偶数模块，第二组则对应右侧1，3，5…奇数模块。设计令第一组中的所有模块同时工作，即同时比较单体2和3，4和5，6和7…的电压值并开通电压较高的单体对应的MOSFET;同理也令第二组所有模块同时工作，即同时比较单体1和2，3和4，5和6…的电压值并进行相应的开关动作;注意这两组均衡过程在逻辑上是互锁的，体现在时序上就是两组模块以互补的形式交替工作。这就相当于在均衡过程中插入了一段较长的暂停时间，这样就可以提高电池的充电接受能力，进而也加快了电池组均衡进度。此外，电压采集一直在循环执行，与PWM输出同步，且每组模块的均衡段时间与整个电池组的电压采集周期相等。本系统中，电压采集周期为15ms，即每个模块均衡周期为30ms，而 PWM频率为1kHz，低电平有效，均衡策略的时序图如图5所示。

图5 均衡策略时序图Fig.5 Sequence chart of balancing strategy

为了更加全面地把握均衡电路的工作，下面基于这一均衡策略对均衡模块的工作过程进行简要分析。首先分析单模块中相关元件流通的电流波形，如图6所示。

图6 均衡模块的工作电流波形Fig.6 Waveforms of balancing current

图6中Vgs是MOSFET的驱动信号(FDS4435为低电平;FDS6690为高电平);imh是开通的MOSFET对较高电压的单体进行放电的电流;iL是储能电感中的电流;idl是 MOSFET关断后电感通过二极管对较低电压的单体充电的电流;T为PWM输出周期，D为占空比，为防止电感饱和应满足D＜50%且留出一定裕量。由于储能电感的存在，可知放电和充电过程均满足L×di/dt=Vbn，其中Vbn为对应的单体电压。据此关系式可以得到单周期内充放电电流的峰值和均值:

由于采用了分组均衡，两组模块互补工作，因此相邻单体电压差值达到均衡精度之前实际平均均衡电流约为单周期平均均衡电流的一半，即:

4 实验分析

实验采用的电池组额定总容量为3Ah，由5节品力牌磷酸铁锂电池串联组成，单体额定电压为3.3V，单体额定容量600mAh。在初始状态不一致的情况下，采用本系统在电池空载状态下对其进行均衡，均衡精度设置为40mV;由于电池单体额定充电电流为200mA，根据电感值和单体电压根据式(3)选取 D=0.3，均衡初期较大的均衡电流约230mA，由式(1)可知其峰值可达5C以上，均衡效果如图7所示。

图7 均衡实验结果Fig.7 Experimental result of balancing

图7(a)显示各电池在均衡过程中端电压的变化，图7(b)为均衡前后5节电池端电压的比较。可见，在均衡过程中各电池的端电压趋于一致，均衡效果明显;而且在均衡开始30min内，单体间的最大电压差便由初始状态的0.27V下降到了70mV左右，降幅达75%以上，可见均衡速度较快;另外实验中没有出现电感饱和现象，可以确定从电压较高的单体放出的电能能够顺利地被相邻电压较低的单体接收;此外，本系统准确实现了预设的均衡精度40mV，可以断定随着信号采集技术的发展，均衡精度还可以进一步提高，以适应工作窗口较窄的蓄电池。

5 结论

本文设计实现了一套双向无损的锂离子电池均衡系统，硬件方面通过资源合理配置实现了信号处理与均衡模块的集成，简化了电路板布局;软件方面则通过模块分组均衡的策略促进了电池间能量的高效传递，有效地抑制了电池组的不一致性。实验结果表明该方法达到良好的均衡效果，实现了较高的均衡精度，可改善当前工程实际中电池均衡系统效率低、智能性不高的问题。除了对处于静置状态的电池组进行均衡维护外，本系统亦适用于充电和放电状态的串联电池组。在后续工作中，还需要进一步提高系统均衡电流的等级，以实现对更大容量电池的均衡控制。可以预见，该均衡系统在未来的电动汽车领域具有较广阔的应用空间。

［1］李红林，张承宁，孙逢春，等(Li Honglin，Zhang Chengning，Sun Fengchun，et al.).锂离子电池组均衡充电和保护系统研究 (Research on equal charging and protection system of Li-ion battery pack)［J］.北京理工大学学报 (Journal of Beijing Institute of Technology)，2004，24(3):210-211.

［2］李书旗，沈金荣 (Li Shuqi，Shen Jinrong).蓄电池组均衡电路的设计与实验 (Design and experiment of balancing circuit for rechargeable battery pack)［J］.科学技术与工程 (Technology and Engineering)，2009，9(13):3081-3085.

［3］Baisden A C，Emadi A.An advisor based model of a battery and an ultra-capacitorenergy source forhybrid electric vehicles［J］.IEEE Transactions on Vehicular Technology，2004，53(1):199-205.

［4］Nishijima K，Sakamoto H，Harada K.A PWM controlled simple and high performance battery balancing system［A］.IEEE 31stAnnual Power Electronics Specialists Conference［C］.Galway，Ireland，2000.517-520.

［5］贾英江，傅孝忠，等 (Jia Yingjiang，Fu Xiaozhong，et al.).锂电池充电方法分析 (Analysis of Li-ion battery charging methods)［J］.科技资讯 (Science＆Technology Information)，2009，(2):123.

［6］徐振 (Xu Zhen).锂电池一般特性及管理系统分析(General performance and management system analysis of Li-ion battery)［J］.广西轻工业 (Guangxi Journal of Light Industry)，2009，(10):35-37.