不间断电源用石墨烯锂电池模块均衡系统设计

2019-07-16余跃听蔡久青徐正喜吴浩伟

舰船科学技术 2019年6期

余跃听，蔡久青，徐正喜，吴浩伟

(1. 海军驻719所军事代表室，湖北武汉 430064；2. 武汉第二船舶设计研究所，湖北武汉 430064)

0 引言

石墨烯作为一种新型二维碳纳米材料，具有高导电性、高导热性、高比表面积、高强度等优势特点，已在锂离子电池领域获得了多元化应用[1]。不间断电源用石墨烯锂电池模块采用LiFePO4-石墨烯复合材料作为电池正极，构成三维导电混合传输网络，具有倍率放电容量大、循环寿命长、能量密度高等优点。

石墨烯锂电池模块由单体电池串并联组成，由于制造工艺、使用环境、自放电率等差异因素的影响，各单体电池特性存在着不一致的现象[2]。单体电池的不一致会导致电池模块使用时呈现典型的“木桶效应”，并且随着时间的积累这种不一致会逐渐放大，最终严重影响整个电池模块的使用性能、使用寿命和使用安全。均衡管理技术通过实时监测单体电池状态参量，动态调节电池模块内各单体电池能量平衡，是解决不一致问题的根本途径。均衡管理包括均衡策略和均衡变量两大要素[3]，其中根据均衡能量转移方式，可以分为被动均衡[4–5]策略和主动均衡[6]策略。被动均衡通过均衡电阻对能量较高的电池进行放电，以实现各单体电池的一致；而主动均衡通过储能元件和双向变换器将能量较高的单体电池中的能量转移至能量较低的单体电池中，同样实现各单体电池的一致。均衡变量主要包括单体电池电压和SOC。

不间断电源用石墨烯锂电池模块容量较小且长期处于浮充状态，综合可靠性、安全性和实用性等多方面因素，均衡策略上选择结构简单且成熟可靠的被动均衡；均衡变量上选择测量简便且精度较高的单体电池电压，在浮充阶段电池电压与SOC之间呈近似线性关系，能够较为准确地反映电池能量状态。基于单体电池电压的被动均衡已得到了广泛的工程应用，但不间断电源用石墨烯锂电池模块的被动均衡还面临着一些特殊问题：1）不间断电源内多输入源间耦合，绝缘耐压测试电压会通过与主回路相连的电池模块直接施加于被动均衡系统，对被动均衡系统的绝缘耐压特性提出了更高要求；2）不间断电源内各类型交直流变换器工作时电磁环境复杂，内置被动均衡系统的控制和通信易受干扰，对被动均衡系统的电磁兼容性能提出了更高要求；3）不间断电源作为高可靠电源，其内置锂电池模块的安全性直接影响电源的供电可靠性，对被动均衡系统的安全性提出了更高要求。

本文以不间断电源用石墨烯锂电池被动均衡系统为研究对象，从均衡电路设计出发，提出了基于双壳体结构的绝缘耐压优化设计方法、基于多通道隔离的电磁兼容优化设计方法和基于双重保护的可靠性优化设计方法，最后通过均衡试验结果验证了上述设计的可行性和有效性。

1 系统结构

不间断电源用石墨烯锂电池模块被动均衡系统由电池模块、均衡电路、控制单元3部分组成，如图1所示。电池模块规格为12 V/50 Ah，由4节单体电池串联组成；均衡电路包括电池模块监测芯片、均衡控制器、隔离驱动、均衡开关和均衡电阻；控制单元为飞思卡尔单片机。控制单元通过隔离的SPI总线与电池模块监测芯片进行通信，读取芯片采集的电压、温度等信息，同时对芯片的配置寄存器赋值以控制其内置PMOS的输出。均衡控制器将控制单元和电池模块监测芯片的均衡控制指令进行逻辑综合后，在满足单体电池均衡开启条件时，通过隔离方式驱动相应的均衡开关。

图1 被动均衡系统框图Fig. 1 Block diagram of passive equilibrium system

2 被动均衡系统设计

2.1 基于双壳体结构的绝缘耐压设计

不间断电源是一个多输入源耦合的复杂系统，石墨烯锂电池模块被动均衡系统的绝缘性能直接影响系统的安全性和可靠性。石墨烯锂电池被动均衡电路板上集成了均衡电路和控制单元，均衡电路中电池模块监测芯片与单体电池正负电极直接相连。对不间断电源进行绝缘耐压测试时，测试电压会通过与主电路相连的电池模块直接施加于均衡电路上，因此均衡电路设计上需满足系统绝缘耐压要求。均衡电路板采用双壳体安装结构设计，结构三维视图如图2所示。内层为聚四氟乙烯壳体，聚四氟乙烯材料具有良好的电绝缘性、耐高温、耐腐蚀；外层为金属壳体，金属材料强度高、使用寿命长、具有一定的电磁屏蔽效果。

2.2 基于多通道隔离的电磁兼容设计

不间断电源通过DC/DC、DC/AC等多个变换器实现多输入源之间的能量变换，多个变换器内大量的功率半导体开关器件高速开关过程会形成严重的电磁干扰。由于石墨烯锂电池模块及其被动均衡系统内置于不间断电源中，均衡电路板需在复杂电磁环境下工作，因此均衡电路设计上需满足电磁兼容性要求。均衡电路采用多通道隔离电路设计，包括通信隔离、驱动隔离和电源隔离，如图3所示。

图2 均衡电路板双壳体结构图Fig. 2 Structure diagram of equilibrium circuit board with double-shell

图3 均衡电路板多通道隔离框图Fig. 3 Block diagram of equilibrium circuit board with multi-channel isolation

均衡电路板上控制单元与电池模块监测芯片之间通过专用数字隔离器进行SPI总线通信，实现高绝缘电压电气隔离、高速数据传输和共模干扰抑制。均衡电路板上均衡控制器通过光耦驱动均衡开关，实现电池模块均衡主电路与均衡控制电路之间的电气隔离和电磁干扰抑制。均衡电路板上控制单元与电池模块监测芯片均采用隔离辅助电源模块供电，实现供电电源之间的电气隔离和电磁干扰抑制。

2.3 基于双重保护的可靠性设计

不间断电源作为高可靠电源，其应急供电可靠性和电池使用安全性，与石墨烯锂电池模块被动均衡系统的保护性能紧密相关。当被动均衡系统内电池模块监测芯片损坏时，可能发生电压、温度信号采集异常，同时无法执行控制单元下发的均衡操作指令，导致均衡开关不受控等情况。均衡开关持续不受控的导通，最终将导致对应单体电池放电至损坏[7]，因此均衡电路板设计上需满足系统可靠性要求。均衡电路采用双重保护电路设计，确保电池模块监测芯片故障时也能有效关断均衡开关，保护原理如图4所示。一方面，均衡控制器对控制单元和电池模块监测芯片的均衡控制信号进行逻辑综合，只有当控制单元和电池模块监测芯片均为开启均衡指令时驱动均衡开关导通。另一方面，当控制单元判断电池模块监测芯片采集的各单体电池电压、温度等信息异常时，控制电池模块监测芯片供电开关断开。

图4 均衡电路双重保护原理Fig. 4 Dual protection principle of equilibrium circuit

均衡系统工作时，首先对控制单元和电池模块监测芯片进行初始化。而后控制单元通过通信总线读取电池模块监测芯片采集的电压、温度等数据，并判断数据是否异常，异常情况包括数据为0或超出正常测量范围等。当判断数据异常时，执行异常操作步骤，下发均衡封锁信号、分断电池模块监测芯片供电电源并故障报警；数据正常时，计算模块内单体电池电压平均值，判断各单体电池是否满足均衡开启条件。当单体电池同时满足处于充电状态、压差和电压大于设定阈值3个条件时，下发均衡开启信号，均衡开关导通；当任一条件不满足时，下发均衡封锁信号，均衡开关关断。均衡系统根据电池实时状态，重复上述循环，系统流程如图5所示。

图5 均衡控制系统流程图Fig. 5 Flow chart of equilibrium control system

3 均衡试验结果及分析

根据上述设计方案，搭建了12 V/50 Ah不间断电源用石墨烯锂电池模块均衡试验系统，相关参数如表1所示。

以0.12 C电流对电池模块进行浮充，均衡试验结果如图6所示。

由于单体电池出厂时均经过筛选，均衡试验初始一致性较好。在浮充过程中，各单体电池电压差大于20 mV时，均衡电路正常开启。浮充持续至93 min时，1号单体电池电压率先达到3.60 V，电池模块停止充电，此时2号单体电池电压为3.57 V，3号单体电池电压为3.58 V，4号单体电池电压为3.59 V，均衡过程单体电池间压差始终保持在30 mV以内，均衡效果良好。