采用容性电路的BMS主动均衡方法

何志刚，郑亚峰，孙文凯，陈上伟

(1.江苏大学汽车与交通工程学院，江苏镇江 212013; 2.山东新大洋电动车有限公司，山东临沂 276000)

采用容性电路的BMS主动均衡方法

何志刚1，郑亚峰1，孙文凯2，陈上伟1

(1.江苏大学汽车与交通工程学院，江苏镇江 212013; 2.山东新大洋电动车有限公司，山东临沂 276000)

针对目前电动汽车用动力电池一致性差，需对电池组中各单体电池间进行均衡控制的问题，在分析现有均衡方案后提出了基于容性电路的主动均衡方法。以国内某电动汽车上使用的电池为例，在Matlab/Simulink软件中建立主动均衡模型，仿真效果理想。

容性电路;主动均衡;模拟仿真

单个电池的能量无法驱动汽车，需要通过将多个单体电池串联组成电池组，存储相当的能量来驱动车辆。然而制造工艺和使用条件的限制导致电池组中各个单体特性有差异。这些差异通过电压差、容量差等形式表现出来，并在电池组使用过程中进一步加大，长此以往，将影响电池组的整体使用性能，甚至造成电池组的损坏。为减小电池组中各单体间的差异，保证电池组的正常使用，本文提出了一种基于容性电路的主动均衡策略。

1 本文方法的提出

均衡方案根据能量流动的方式主要分为被动均衡和主动均衡。被动均衡方式由于能量消耗大不适合在电动汽车上使用。文献［1-3］提出了几种具有代表性的主动均衡方案，但均没有成熟的应用经验，且试验效果不能完全令人满意。文献［4］虽然同时应用电感和电容参与能量转移，但电容、电感使用数量过多，且能量只能在相邻的单体间传递，均衡过程中能量消耗较大。本文在结合已有均衡方案优势的基础上，提出一种单电容、电感同时参与均衡的方式。该方案控制简单且能量不必在电池单体间逐个传递，降低了能量损耗，实现了真正的稳定均衡。

2 电路实现原理及策略

本文设计每节电池两端分别通过一个开关管连接在电容电感的两端。每个单体电池的正负极两端的开关管由同一个PWM脉冲控制开断，单片机发送PWM波控制开关管的通断，原理见图1。

图1 均衡电路设计原理

图1中:Q1、Q2由同一个PWM控制开断，Q3，Q4由同一个PWM控制开断。假定充放电过程中1号电池为最高电压单体电池，24号电池为最低电压单体电池。当均衡功能开启时，Q1，Q2同时导通，1号电池对电容充电，电感起缓冲电流防止电流过大的作用;充电结束后，Q1，Q2同时关断，Q47，Q48同时打开，电容对24号电池充电，从而实现能量由高往低的转移。

均衡动作的命令由单片机发出，符合电动汽车行业标准［5］要求。单体电池电压的采集误差为满量程的0.5%。本文采用的电池为3.65 V，10 Ah的锰酸锂电池，测量误差ΔV=3.65× 0.5%=18 mV。因此，当压差在20 mV以内时，为防止因采集误差造成误均衡，设定均衡的上下限分别为40，20 mV。当采集模块监测到24节电池组中任意2节电池单体压差达到40 mV时，开启相应的电池单体均衡模块，以4 A左右的电流进行均衡。均衡末期，当2节电池的电压差小于设定值20 mV时，均衡模块关闭，实现闭环控制。均衡控制流程如图2所示。

图2 均衡控制流程

3 仿真验证

3.1 仿真模型建立

本文基于Matlab/Simulink建立仿真模型，以2 节3.65 V，10 Ah锰酸锂电池作为仿真对象，模拟验证1～24号电池的均衡过程。模型中含有5个子模块，可实现硬件电路中单片机的采集、判断、控制以及分析计算等相关的功能。B1，B2为2个电池模块，用于模拟均衡电路中的2个均衡对象。均衡仿真模型如图3所示。

对上述模型详细说明如下:模块1为判别模块，仿真中将2节电池电压信息输入判别模块;当满足均衡开启条件即压差大于40 mV时，均衡模块自动开启，设定20 mV为均衡目标;当压差小于20mV时，均衡停止。模块1如图4所示。

图3 均衡仿真模型

图4 判别模块

模块2用于产生2组相位相反的PWM波，分别用于控制MOSFET1、3和MOSFET2、4的开通与断开，当均衡完成后自动停止发送PWM波。模块3用于判别均衡方向，在准确自动地识别出高单体电池和低单体电池后，让高电压单体电池给低电压单体电池充电，模块3如图5所示。

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图5 判别均衡方向模块

模块4用于测量流经电容电感的电流以及电容两端的电压。B1，B2为使用的电池模型，电池的电动势用受控恒压源来表示，通过给受控恒压源信号来调整电动势的大小，电池的充、放电电量通过对电流积分的累加来模拟［6］。Fcn函数为通过电池参数计算电池的输出电压。电池仿真模型如图6所示。

图6 电池仿真模型

模型中电池输出电压为

式(1)中:E为开路电压;E0为端电压;K为极化电压;Q为电池容量;A为指数电压;B为指数容量。

本文的电池模型相关参数由台架实测的电池放电曲线推导而来。图7所示为某锰酸锂放电测试试验在不同的放电倍率下电池的放电曲线。

图7 不同放电倍率放电曲线

由图7中数据经拟合得出仿真参数为:E0= 3.869 9，R=0.003，K=0.020 913，A=0.203 5，B=3.75。将参数代入式(1)可以设置仿真开始时的初始电池电压。

3.2 模型参数确定及损耗分析

方案中采用电容作为储能元件，电感作为缓冲电流的器件，并以效率、速度作为评判均衡模型效果的两大标准。由于采用的电池为10 Ah的锰酸锂电池，为防止均衡电流过大对电池产生损害，设定最大目标均衡电流为0.4 C。电路中选定的电容值为470 μF，电感不作为储能元件，选定的值较小，约2.2 μH。开关切换时间是关键因素，如果该时间过短，则电容充电不足，不能进行能量的传递;若时间过长，则影响均衡速度。在RLC电路中，由公式推导得出电路属性:

当式(2)等于零时，电路发生谐振现象，f称为谐振频率，此时电路阻抗达到最小，电流达到最大值，代入电容电感值计算可得f=4.952 kHz，开关周期为:T=2.02╳10-4;当式(2)小于零时，电路为容性电路，电路时间常数τ=RC。MOSFET管的开关周期应满足:

式(3)中:R为电路中MOSFET导通状态时的等效电阻;C为RLC电路中的电容值。

本文以z4468为例。导通电阻为15 mΩ，每个回路中有2个MOS管，代入式(2)计算得出T大于等于1.551×10-4s。因本文是采用容性电路建立的均衡模型，基于以上计算，选取MOSFET管的开关频率为5 kHz。此时，电路为容性电路且开关频率接近谐振频率，电路损耗较低。电池内阻和MOSFET损耗是电路损耗的主要来源。电池内阻损耗属于不可控因素。MOSFET的损耗主要分为导通损耗和开关损耗［7］，可分别计算得出。

导通损耗:

其中:Id为MOSFET管导通时的电流;Rds为MOSFET的导通内阻。

其中:fs为MOSFET开关的频率;VDD为漏极电源电压;ID为漏极电流;T1为MOSFET管开通时间，T2为关断时间。

MOSFET的开关损耗与开关频率成正比，本文采用的频率为5 kHz。根据文献［8-9］可知:在此频率下MOSFET的损耗主要来自导通损耗。模型中模块5用于测量MOSFET管导通过程中产生的损耗。

3.3 仿真结果与分析

为防止电感工作在满负荷状态，本文设定开关管的占空比略小于50%。由于电路中损耗主要来自MOSFET管在导通时产生的热量，且4个MOSFET管的工作状况相同，故设置一个监视模块观测其中一个MOSFET管工作时的发热情况，仿真结果见图8。

图8 2个单体电池两端的电压

由图8可以看出:在预设2节单体电池的端电压分别为4.0 V和3.9 V时，满足均衡开启条件，均衡模块开启，均衡效果明显，在700 s的时间内完成压差为100 mV的均衡。由图9可以看出:一个MOSFET管在整个均衡过程中的损耗，峰值损耗功率在0.25 W左右。结合本文所做的损耗分析模型并对电路中各部分电流电压的乘积进行积分可得出电路中各个部分的能量流动情况。以0.1 s内能量转化情况为例，计算结果如表1所示。

图9 MOSFET管的功率损耗

表1 均衡电路各部分能量值

由表1结果可知:均衡电路的能量转化效率高达97.97%;MOSFET的损耗占电路损耗比重最大，达60%;其余损耗来自电池内阻以及电容电感在能量转换过程中产生的损耗。综上可得:此均衡电路均衡效果较好，效率较高。在均衡末期，当2块电池的电压差不大于20 mV时，均衡模块关闭，实现了闭环控制。

4 结束语

本文针对动力锂离子电池组一致性问题提出了一种经济、高效的均衡方案，并提出以效率、速度作为评判均衡电路效果的两大标准。根据设计原理搭建了Simulink模型进行仿真，仿真均衡效果理想，为电池成组提供了无损均衡的充放电解决方案。由于电池仿真模型来源于实车电池包单体电芯，因此本文所提出的电容电感均衡方案具有较高的理论参考价值及实际指导意义。

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(责任编辑 刘舸)

Active Equalization Scheme in BMS Based on Capacitor Circuit

HE Zhi-gang1，ZHENG Ya-feng1，SUN Wen-kai2，CHEN Shang-wei1
(1.College of Automobile and Traffic Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang 212013，China; 2.Shandong Xindayang Electric Vehicle Co.Ltd.，Linyi 276000，China)

According to the electric vehicle power battery un-consistent problem，battery management system is needed to settle the un-consistent problem of batteries in the electric vehicle.Based on the analysis of existing equalization scheme，this paper introduced an active equalization method with capacitive circuit.One kind of battery used in a domestic electric vehicle is set as an example and the active equilibrium model is established in matlab/Simulink software.The simulate results show that this scheme meets the expected requirement.

capacitive circuit;active equilibrium;simulation

U469.72

A

1674-8425(2014)08-0013-05

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2014.08.003

2014-02-17

何志刚(1975—)，男，博士，副教授，硕士生导师，主要从事电动汽车方面研究。

何志刚，郑亚峰，孙文凯，等.采用容性电路的BMS主动均衡方法［J］.重庆理工大学学报:自然科学版，2014(8):13-17.

format:HE Zhi-gang，ZHENG Ya-feng，SUN Wen-kai，et al.Active Equalization Scheme in BMS Based on Capacitor Circuit［J］.Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science，2014(8):13-17.