陈 强 陈习阳

（柳州工学院，广西 柳州 545616）

0 引言

传统汽车的迅猛发展导致全球能源的需求量剧增，导致全球范围内的化石能源储量的不断减少，且大量使用石油、天然气等化石能源会对生态环境造成破坏。电能是为数不多的可代替化石能源的环保能源，因此电动汽车逐渐成为研发的重点和市场的热点。制约电动车大规模应用的因素有续航里程短、充电难、充电慢等。电池作为电动汽车的关键部件，其对电动汽车性能的优劣有着极大影响。为了能够给电动汽车提供充足可靠的驱动力，动力电池组件要由若干节锂离子单体电池进行串联或并联驱动，以确保能够满足纯电动汽车的行驶需求。由于单体电池的总体技术参数不完全相同，以及电池对工作环境温度变化和电池自充放电的程度变化等的要求也不同，导致电池组间不完全一致，这会导致电池组的使用寿命和可用容量缩减，严重影响了电池组产品的实际使用效果，进而导致电动汽车的续航里程不足、电池寿命短。

为了解决上述问题，对动力电池组进行管理，即电池均衡管理系统［1］，也被称为BMS管理系统。BMS管理系统具有电池状态监控、荷电状态（SOC）估算以及电池均衡管理功能，即估测电池剩余电量、监测和防止因过充电或过放电给电池造成损坏［2］、在单体电池电压不一致时进行调整。

1 总体设计

1.1 基于变压器的主动均衡方案

基于变压器的均衡方式是将变压器设为能量存储器，选择不同的策略方式，通过储能变压器由电池组中电能高的单体电池向电能低的单体电池进行充能［3］。

1.2 反激式变压器均衡

当开关打开时，输入电压在变压器的一次绕组上。根据变压器的极性，当开关断开时，一次绕组的电压极性为上面正极、下面负极，二极管被反向电压截止。此时，电能以磁能的形式储存在变压器中。当开关导通时，二次绕组电压与上一次绕组的极性相反，此时二极管被正向电压导通，磁能储存在变压器中，并以电能的形式释放给电感L和负载的电能。虽然反激式变压器均衡电路具有电路结构简单、成本低等优点，但这种均衡方式只适合于小功率电源［4］。

1.3 单绕组式变压器均衡

在运行过程中，只要控制变压器一次绕组和二次绕组的开关，就能将电能转移到与二次绕组并联的电池中，从而控制变压器输出电压的方向，使得电量低的电池可优先获得更多的电量，从而实现单体电池之间电压的均衡。在其电路中，每个变压器的二次绕组下方都会并联一个单体电池，当电路开始工作时，控制均衡开关器的闭合，一次绕组的开关闭合时，多余的能量将储存到变压器的一次绕组中。能量先存储到变压器中［5］，由变压器作为中间载体传递给单体电池，开关断开时，多余的能量将由变压器的二次绕组传向各单体电池。单绕组变压器式均衡方式只适合处于充电状态时的电池均衡，且均衡效率高。

1.4 多绕组式变压器均衡

在多绕组式变压器均衡电路中，会为每一节单体电池安装一个变压器。当电路开始均衡时，通过控制变压器一次绕组和副二次绕组的开关，就能将能量转移到二次绕组所对应的电池单体中。这种方式与单绕组变压器式均衡类似，区别在于多绕组变压器均衡电路中能在传递过程中实现能量的双向传递，这种方法既可用单体电池给电池组充电，又可以让电池组给单体电池充电。

多绕组变压器均衡电路的优点在于其能够在单体电池与电池组之间实现能量的双向流动，但缺点是每一节单体电池都要有一个变压器与之相并联，变压器自身体积较大，从而导致整个均衡电路过于庞大，无法应用于汽车中。

通过对前面所述的几种均衡方式的电路模型进行研究，在对各种均衡方式的优劣进行对比后，本研究提出一种能够在使用较少元器件、控制方式简单的条件下有着较快均衡速度的方法，选择单绕组式均衡方式，并结合单片机控制系统，均衡电路的开关采用单片机控制开关电源的方式，避免单体电池在充能时出现过充耗散能量，从而实现任意单体电池的能量传输。

本研究运用仿真软件进行仿真分析与系统设计，通过系统仿真与参数分析，理论上实现动力电池组在充放电时能以更快的均衡速度和更低的能量损耗达到均衡。

2 建立系统模型

2.1 系统框架

本研究设计的均衡系统整体上由以下4个模块组成。

2.1.1 动力电池组模块。本研究设计的电池模块是由3节锂电池串联而成的电池组。每个单体电池单元额定电压为3.7 V，充电截止电压为4.2 V，容量约为3 000 mAh。

2.1.2 信息采集模块。采集模块是对各单体电池的电压值进行电信号采集，将得到的各电池单元电压传给均衡控制模块，由均衡控制模块对数据进行整理分析。

2.1.3 均衡电路模块。均衡电路模块是由均衡电路和控制开关电路组成，其是整个系统的核心，也是执行均衡电池管理的主体。

2.1.4 均衡控制模块。该模块通过控制均衡系统的开启和关闭，来接收传递过来的电池电压参数，根据接收到的各单体电池的电压值和设置好的均衡策略做出均衡处理结果。

本研究对变压器式均衡系统进行研究，该系统主要是由以上4个模块组成，细分出的系统结构有电压信号采集单元、电池组单元、均衡控制单元、单片机、变压器、稳压单元。该系统通过对系统内的电池性能参数进行采集，当电池各模块间或单体电池间的电压差超过允许差值时，系统将启动主动均衡控制系统，为动力电池提供控制策略。系统以变压器为核心，以电池的工作电压为均衡控制量，通过控制均衡系统的开关，从而控制变压器的输出电压，使得电量较低的电池可获得较多的电量，从而达到模块间或单体电池间的电压均衡。

3 程序设计及仿真研究

3.1 控制流程

系统通过采集模块芯片来检测电路内各电池的电压，然后根据采集到的电压信息来估算各电池间的电压值，在进行判断决策前，先设定电池间电压允许差值V＝0.05 V，最后根据最初设置的电压允许差值来判断是否结束均衡或对最小电压单元开始均衡充电。

在均衡过程中，当满足Umax-Umin≥0.05 V判断条件时，则开启均衡控制开关，重复检测每个单体电池的新电压值，继续找出电池电压的最大单元和最小单元，并重复上述流程，持续对低压电池进行充电，直到该电池组中的电压值不满足均衡开启条件为止。重复检测电池电压，如果判断条件Umax-Umin＜0.05 V，则均衡系统关闭或不开启。执行总程序逻辑流程图见图1。

图1 控制逻辑流程图

3.2 仿真系统程序编程

当电压采集芯片MCP3204把各电池电压信息通过引脚传递给单片机时，单片机P1.0口在接收这些信息后，会对这些数据进行整理分析，通过P0口输出信号到LCD1602显示器，并显示各电池电压数值大小。当单片机接收到的电压最小值与平均值之差的绝对值小于0.05 V时，均衡系统不工作，当电压最小值与平均值之差的绝对值大于0.05 V时，单片机通过引脚P2口输出控制信号，控制CH0、CH1、CH2电路的导通和关闭，进而控制电池的均衡充电。单片机通过P0口输出信号至LCD1602液晶显示器，可显示电池实时变化的数值。

在C语言软件中将程序编译好后，确定程序没有问题后将其转为.hex文件，将.hex文件程序导入仿真软件的单片机中，并开始仿真调试。

控制程序（截取main.c）

#include“main.h”

#include“lcd1602.h”

#include“mcp3204.h”

#include“stdio.h”

int temp；

float ch0，ch1，ch2；

char min_ch，max_ch；

float vol_min，vol_max；

char str［6］；

void delay50ms（uint t）；

void charge_equal（void）；

void main（void）

｛

L1602_init（）；∕∕lcd1602初始化

L1602_string（1，1，“CH0：”）；∕∕在第一行第二位显示CH0：

L1602_string（1，9，“CH1：”）；∕∕在第一行第十位显示CH1：

L1602_string（2，1，“CH2：”）；∕∕在第二行第二位显示CH2：

∕∕∕∕第一个继电器吸合，第一个参数是选择哪一个继电器，第二个参数是1吸合，0是不吸合

relay_ctrl（0，0）；∕∕调用relay.c文件里面的函数实现继电器吸合

relay_ctrl（1，0）；∕∕调用relay.c文件里面的函数实现继电器吸合

relay_ctrl（2，0）；∕∕调用relay.c文件里面的函数实现继电器吸合

3.3 仿真与调试

3.3.1 电池电压一致性时。当RV1、RV2、RV3中的最大值与最小值的差值小于0.05 V时，电池不需要进行均衡，均衡系统不工作，即发光二极管D2、D6、D4都不亮，继电器均处于断开状态。

3.3.2 电池间存在电压不一致性时。当RV1、RV2、RV3中的最大值与最小值之间差值大于或等于0.05 V时，电池需要进行均衡，系统开始工作，即发光二极管D4闪烁亮起，该继电器处于闭合状态，表示系统工作。

经多次调试电池电压，系统能够正常运行。说明仿真达到预期目标，可根据电路图进行实物的制作。

4 结语

本研究提出的电池均衡方案是以保证电池系统的稳定性和以解决单体电池不一致性为目的，提高动力电池性能、延长电池组寿命，这将直接影响到电动汽车的续航能力和安全问题。本研究结合变压器和单片机对电池均衡方式进行仿真模拟，对提高动力电池组容量效率及整车续航里程有一定的技术参考价值。未来，对电池管理系统进一步优化升级还要考虑更多方面，如SOC的精确估算、更高级的算法、成本等。