均衡电路设计 - 混合动力汽车电池均衡方案的研究

4 均衡电路设计

　　对电池进行均衡控制的硬件组成主要有MCU控制单元， 电池监控IC， 均衡电路， 以及电源电路，温度模块， 风扇控制电路等。电路结构图如图2所示， 电池监控IC 采集各单体电池端电压， 并实时向MCU 发送数据。上位机通过CAN 总线与监控IC通信， 将数据实时显示。温度模块采用智能化温度传感器， 它把温度传感器， 外围电路， A /D 转换器，微控制器和接口电路集成到一个芯片中， 对电池进行温度测量、温度控制并与MCU 进行数据通讯。

　　

 

　　图2 均衡电路硬件结构框图。

　　5 均衡控制策略的制定

　　通过平衡电压来平衡容量的均衡方法在控制时应兼顾以下几点:

　　( 1)均衡放电电阻R 的选取。均衡电路工作时， 能量高的电池会通过放电电阻以热能的形式释放掉， 如果此时电阻温度过高， 可能会造成电路热失控， 存在安全隐患， 因此， 电阻的值不能过小; 另一方面， 均衡电流直接决定了均衡时间， 如果均衡电流过小， 会使均衡时间过长， 达不到均衡要求， 而均衡电流的大小是由放电电阻决定的， 电阻值越大均衡电流越小， 因此， 电阻值又不能过大。综上， 电阻值能否适当选取是均衡效果的关键。

　　( 2)均衡电压阈值( a) 的设定。电压阈值的大小直接决定了均衡电路启动及关闭的时刻， 若电压阈值设的过大， 会导致均衡时间过短， 均衡效果不明显， 达不到要求， 电压阈值设的过小， 则均衡时间过长， 不但白白消耗了能量， 且对电池组各电池有害无益。因此， 需要从电池容量不一致所表现的充放电特征分析， 并结合混合动力车的应用情况来设置均衡阈值。

　　( 3)均衡模块的启动和关闭。在初始上电后，MCU 定时检测电池组各单体电压， 一旦超过阈值则对需要均衡的单体闭合开关， 进行放电， 其余单体的开关断开。之后MCU 会定时判断单体电压， 重新判断是否符合均衡条件。如果单体的电压一致性回到阈值内， 则所有均衡回路的开关管均断开， 均衡终止。

　　6 模拟工况测试

　　为了模拟电池均衡模块在实际车辆运行时的效果， 采用如下测试工况， 并保持室温在10℃ ~ 20℃之间。此工况测试分两个测试程序， 一个是#主放电工况”， 其放电量略多于充电量; 另一个是“主充电工况”， 其充电量略多于放电量， 并确定SOC 波动范围在30% 至80% 之间。

　　实验用电池为锰酸锂电池( LMi nO4 ) ， 实际容量8. 6Ah， 额定电压3. 6V， 内阻3. 7Ω ， 12节串联。

　　均衡前后电池充电曲线如图3 所示， 均衡前电池充电曲线明显不一致， 电池组压差最大值约为200mV， 对应的容量差约为20% 。充电时高容量单体将先达到阈值电压， 使电池的充入容量明显降低，仅为7Ah， 大大降低了电池的利用率。( b) 图为经过35小时均衡测试后充电曲线图， 可以看出各单体间基本恢复一致， 压差不超过10mV， 充入容量扩大到8. 4Ah。并且经过测量， 实验过程中放电电阻温度控制在60℃以内， 不会出现热失控等安全问题。

　　由上述实验可以得到， 此均衡方法可在40小时内达到电池SOC 的平衡。并且电路工作稳定， 满足混合动力车辆行驶要求， 可以有效的防止电池不一致性的扩大， 实现了能量的合理配置。

　　

 

　　图3 均衡前后充电曲线对比。

　　7 结束语

　　在均衡模块的硬件设计上充分考虑了测量的精确性， 系统的稳定性和抗干扰能力。在制定均衡策略过程中兼顾了放电电阻的选择、均衡阈值的选定、均衡的启动和停止等方面。经均衡测试证明此电路工作稳定， 可以有效的解决电池不均衡的问题， 提高了整组电池的使用效率， 对混合动力车具有实用性。