陈曦，何志杰（福建师范大学物理与能源学院，福建福州　350117）

动力电池组移位选通均衡充电方案设计

陈曦，何志杰
（福建师范大学物理与能源学院，福建福州350117）

摘要：提出了一种动力电池组移位选通均衡充电系统，该系统为每节电池配备一个选通充电模块。电池管理系统通过控制选通充电模块，增大充电慢的电池的充电电流，加快其充电速度，实现动力电池组的均衡充电。选通充电模块采用移位选通的控制方式，使控制电路结构简单，便于扩展。实验表明，采用该系统，充电结束时电池端电压仅相差50 mV且没有过充电，达到电池组均衡充电的目的。

关键词：均衡充电；移位选通；动力电池组

0　前言

由于日益严重的环境与能源问题，节能环保的电动汽车是未来汽车的重要发展方向。电动汽车一般由多节大容量锂电池串联成动力电池组为其提供能量来源，而电池组中各节电池性能的不一致，是制约电池组容量和寿命的关键因素，严重影响电动汽车的发展[1]。因此，对动力电池组进行均衡充放电是电池管理系统的关键部分。

目前，已有许多研究人员提出了均衡充放电的方案，主要分为能量消耗型和能量转移型。前者能量损耗大，不适用于动力电池组；后者拓扑结构复杂，不利于在电动汽车中应用，因此，本文提出了一种动力电池组移位选通均衡充电的方法。

1　基本原理

电动汽车动力电池组单体电池性能不一致性的解决难点在于各单体电池是串联连接的。在电池组充电与放电时，各节电池流过的电流是相同的。目前，大部分的均衡充放电方案是将能量多的单体电池的能量转移到其它能量少的单体电池或公用储能模块[2-3]。这种方案将能量在电池间进行转移，降低了均衡效率，同时也增加了控制系统的复杂性。因此，本文提出了一种动力电池组移位选通均衡充电方案，采用选通充电的方式对充电慢的单体电池进行补充充电，加快单体电池的充电速度，从而提高电池组整体的充电速度。各单体电池的荷电状态采用电压法进行估算，电池管理系统根据各单体电池的荷电状态控制选通充电模块工作，实现电量多的电池充电电流小，电量少的电池充电电流大，从而达到良好的均衡充电效果。

2　拓扑结构

本文提出的动力电池组移位选通均衡充电系统的拓扑结构相比传统能量转移型的拓扑结构简单，并且具有可扩展性，如图1所示。

图1　移位选通均衡充电系统拓扑结构

该均衡充电系统由主充电电源、一个开关管Qs、n节电池和n个与电池一一对应的选通充电模块组成[4]。主充电电源提供主充电电流Ih给电池组充电，每个选通充电模块由一个变压器和一个光电继电器组成，光电继电器具有隔离作用，且响应速度快，使用寿命长。

其中，均衡充电的选通利用光电继电器的开关作用来实现。以电池B1为例，当电池管理系统检测到B1电池的电压较低，需要加快充电时，电池管理系统输出PWM信号驱动开关管Qs工作，同时将光电继电器U2、U3、…、Un导通，则B1对应的变压器开始工作，其他选通充电模块的变压器没有工作，电流经过光电继电器U2、U3、…、Un流向开关管Qs，则开关管Qs、反激变压器T1、二极管D1共同构成了一个反激式开关电源，给电池B1提供额外的充电电流。其原理如图1所示，流过电池B1的充电电流大于其他电池的充电电流，加快了电池B1的充电速度，最终达到均衡充电的目的。

3　移位选通方案设计

光电继电器常见的控制方法为I/O口直接控制，该方法控制逻辑简单，但应用在多节电池构成的动力电池组中就需要大量的I/O口，导致系统繁杂。基于此，本文提出了一种由D触发器和光电继电器构成的移位选通方案。

光电继电器的通断由n个D触发器组成的移位选通系统控制，移位选通系统的工作原理如图2所示，移位选通系统只需要一路Clock信号来驱动图中的n个D触发器，其中，D1、D2、…、Dn为D触发器，第一个触发器D1的Q输出接第二个触发器D2的输入D，第二个触发器D2的Q输出接第三个触发器D3的输入D，以此类推，第n-1个触发器Dn-1的Q输出端接第n个触发器Dn的输入D。触发器D1、D2、…、Dn的反向输出接各自相互对应的S1、S2、…、Sn，S1、S2、…、Sn为光电继电器的控制开关，当Qˉ输出为低电平时光电继电器断开，变压器接入反激式开关电源中，当ˉ输出为高电平时光电继电器导通，变压器不接入反激式开关电源中。因此，控制触发器D1、D2、…、Dn的输出高或低电平，即可实现对光电继电器的选通[5]。

移位选通方案的逻辑时序如图3所示，移位选通系统只需要一路Clock信号来驱动n个D触发器，Din为第一个触发器的输入电平，、、…、为触发器D1、D2、…、Dn的反向输出。

图2　移位选通方案

图3　移位选通时序图

本移位选通方案中的D触发器为上升沿触发，在输入Clock信号前，将第一个触发器的D输入端置为高，则第一个Clock触发信号输入时，第一个D触发器的输出端Q1输出高电平，反向输出端Qˉl输出低电平，Qˉ2、…、Qˉn输出均为高电平，此时，第一个光电继电器断开，其他光电继电器均处于导通状态，因此只有第一个电池对应的变压器T1接入反激式开关电源中。在输入第二个Clock信号前，将第一个触发器的D输入端置为低电平。在输入第二个Clock信号后，Qˉl输出变为高电平，D2的输出Q2变为高电平，Qˉ2变为低电平，因此只有第二个电池对应的变压器T2接入反激式开关电源中，以此类推，每发送一次Clock信号，D触发器的输出高电平就传给下一个D触发器，选通状态就下移一个。因此，输入n 个Clock信号，就能实现对第n个选通模块的选通，从而达到移位选通的目的[6]。

采用移位选通的控制方式，只需要一路Clock信号和一路D输入信号就能实现对n个选通模块的控制，模块的数量增加，不增加控制信号的复杂程度，克服了直接I/O口控制的缺点，使控制电路更简单。实际工作中，选通充电模块直接安装在对应的单体电池上，各选通充电模块串联连接，减少了走线数量，选通充电模块的Clock信号和D输入信号由电池管理系统根据电池状态提供。

4　实验结果

实验中，选取三节端电压各不相同的锂电池串联而成的电池组进行选通均衡充电，电池充电前的开路电压分别为3.33 V、3.10 V、2.92 V。反激式变压器设计时针对动力电池组的实际情况，设计输入电压为110 V~220 V，而由三个电池组成的电池组电压过低，图1中的Vc由110 V直流电源供电。起始充电阶段，第三节电池的电压远低于第一节电池，则电池管理系统控制第三个选通充电模块工作，第三节电池充电电流增大，电压上升变快，当三节电池电压都上升到3.36 V时，三节电池进入了锂电池的主充电区域。电池管理系统控制三个选通充电模块都不工作。当第一节和第二节电池率先退出主充电区域时，电压快速上升，第三节电池的端电压变为最低，选通充电模块开始工作，加快充电速度。最终充电结束的三节电池的端电压依次为4.00 V、3.99 V、3.95 V。端电压仅相差50 mV且没有过充电，而未采用该均衡充电系统时电池的端电压极差为220 mV。

5　结论

本文提出的动力电池组移位选通均衡充电系统有别于目前的大部分均衡充电系统。本均衡系统为每节电池配备了一个选通充电模块，通过选通充电模块加快电池的充电速度，选通充电模块直接安装在电池上，空间利用率高。同时，本文提出了一种移位选通的控制方式，利用2个I/O口实现对所有选通充电模块的控制，模块数量的增加不影响控制的复杂程度，特别适合于由数量较多的单体电池串联而成的动力电池组。

参考文献：

［1］麻友良，陈全世.混合动力电动汽车用蓄电池不一致的影响分析［J］.汽车电器，2001（2）：5-9.

［2］Yuang-Shung，Lee and Chun-Yi Duh，Battery Equal⁃ization Using Bi-directional Cûk Converters in DCVM Op⁃eration［C］.PESC Record - IEEE Annual Power Elec⁃tronics Specialists Conference，2005：765-771.

［3］黄勤，严贺彪，凌睿.串联锂电池组无损均衡管理方案设计与实现［J］.计算机工程，2011（12）：226-229.

［4］李定宣.开关稳定电源设计与应用［M］.北京：中国电力出版社，2006.

［5］童诗白，华成英.模拟电子技术基础：第4版［M］.北京：高等教育出版社，2006.

［6］阎石.数字电子技术基础：第5版［M］.北京：高等教育出版社，2006.

(编辑：向飞)

Research on Shift Gating Equalization Charging System for Power Battery Pack

CHEN Xi，HE Zhi-jie
（College of Physics and Energy，Fujian Normal University，Fuzhou350117，China）

Abstract:This paper presents a shift gating equalization charging system for power battery pack.Each cell is equipped with a gating charging module in this system.In order to make an equalization charging for power battery pack，battery management system control gating charging module，increasing the charging current of the battery which is charging slowly，accelerating the charging speed.Gating charging module using the shift gating control mode，this control circuit structure is simple and easy to expand.Experiments show that using this system，when charging is completed the battery terminal voltage difference is only 50mV and no overcharging，the power battery pack achieving an equalization charging purposes.

Key words:equalization charging；shift gating；power battery pack

作者简介：第一陈曦，女，1988年生，河南人，硕士研究生，助教。研究领域：电子技术、模式识别与智能系统。已发表论文3篇。

收稿日期：2015－05－14

DOI:10.3969/j.issn.1009-9492.2015.08.029

中图分类号：TM910.6

文献标识码：A

文章编号：1009－9492 (2015 ) 08－0106－03