陳立劍
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鋰電池組串聯(lián)均衡系統(tǒng)研究
陳立劍
(中國船級社武漢規(guī)范研究所,武漢 430022)
鋰電池組串聯(lián)使用的安全性問題是其在船舶上是否能應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一,鋰電池組的不一致性會使電池組中串聯(lián)充放電時個別電池提前損壞,壽命大大縮短,嚴(yán)重時會出現(xiàn)爆炸等安全問題。本文提出了一種無損的能量轉(zhuǎn)移式電池組均衡方案,并從實驗上進行了驗證,證明了該方案的可行性和先進性。
串聯(lián)電池組測量單元均衡
在船舶的應(yīng)用中,電池組的串并聯(lián)是一種非常普遍的方法,能夠得到較高的電壓和容量以滿足供電的需求。CCS鋼制海船入級規(guī)范和內(nèi)河船舶入級規(guī)范都提到目前船用蓄電池應(yīng)為酸性鉛板型或堿性鎳板型。其他類型的船用電池使用還需要經(jīng)過認(rèn)可。鋰電池由于其能量密度很高且采用有機溶劑,使得與常用的鉛酸電池相比,鋰電池在濫用條件下(如高溫、過流、過充放等)會導(dǎo)致熱穩(wěn)定性變差,容易損壞電池,甚至出現(xiàn)起火爆炸等情況[1]-[2]。因此鋰電池如果串聯(lián)使用,所帶來的一個問題就是在充放電的過程中,由于單體電池的差異帶來的鋰電池個體之間的均衡問題。這些單體電池之間的差異有可能出廠時就存在,并隨著使用過程中逐漸變化而惡化,因此需要監(jiān)測保護電路來輔助[3]。
因此本文設(shè)計一種均衡系統(tǒng),它對每一個電池的狀態(tài)的運行過程進行監(jiān)視,包括電池的電壓、電流、溫度等信息,判斷電池組運行是否正常,并且對電池的異常狀態(tài)進行處理,同時將充電控制集成到均衡系統(tǒng)中,能更合理的保護和控制電池,使電池的容量得到充分的利用,有利于在一定程度上延長電池的使用壽命,最大程度的避免可能出現(xiàn)的過壓、過流、過溫等狀態(tài)對電池造成的物理性傷害,保障電池的安全運行。
均衡系統(tǒng)由測量單元和均衡單元構(gòu)成,其中測量單元與均衡單元可與電池配裝,用于在串聯(lián)電池組由主充電機充電時,與主充電機配合使用,監(jiān)控充電電池組的參數(shù),在需要時對異常電池進行處理。以2并2串組成的電池組(包括1#電池和2#電池)為例,均衡系統(tǒng)的構(gòu)成和連接入圖1。
測量單元主要針對以下幾種異常狀態(tài)進行保護:過放電狀態(tài)、過充電狀態(tài)、過流、過溫狀態(tài)。
常用的鋰電池組主充電機的充電過程一般可分為兩個階段:恒流充電和恒壓充電。當(dāng)電池組總電壓距充電截止閾值較多時,一般采用恒流充電,充電電流在0.2-1.0 A之間,電池組電壓隨充電進行上升;當(dāng)達到某接近充電截止閾值時,則轉(zhuǎn)為恒壓充電,此階段保證電池組精確達到允許充電電壓值,達到充電電壓截止閾值則充電完成。[4]鋰電池組串聯(lián)充電過程中,特性差的單體電池其端電壓上升比正常電池快,則有可能在整個串聯(lián)電池組的總端電壓到達恒壓充電之前就已經(jīng)超過單節(jié)電池的終止電壓,因此有發(fā)生過充的可能;若此時終止主充電機充電,則整個電池組會由于提前結(jié)束了充電導(dǎo)致整體可用容量的下降。如果串聯(lián)電池組中存在多個特性變差的電池,那么整個電池組的實際可用容量則下降更多,降低了電池組的容量利用率。在大容量電池組的應(yīng)用中,圖1的均衡系統(tǒng)在每個電池兩端使用了帶有隔離型直流/直流變換器的均衡單元來實現(xiàn)單體電池之間的均衡,對電壓低于整組電池平均值一定量的單體電池,從整個電池組取得能量對該單體電池進行輔助充電,提高各個單體電池之間的電壓一致性,從而增加串聯(lián)電池組的容量利用率。
圖1 均衡系統(tǒng)的原理框圖
測量單元在設(shè)計上應(yīng)盡量使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)先進、合理、可擴展。系統(tǒng)功能上要完備:各種參數(shù)測量精度高、EMC合格、可靠性高等。根據(jù)這一指導(dǎo)思想,電池的測量單元具體功能如下:電池信息實時采集,包括單體電壓、溫度、電池組總電壓、總充放電電流;存儲重要的電池信息、重要數(shù)據(jù)和系統(tǒng)狀態(tài)信息;提供數(shù)據(jù)傳送的接口,包括同上位機通訊和同船舶的其他系統(tǒng)(如監(jiān)控系統(tǒng)、報警系統(tǒng))通訊以便于船員對電池情況進行了解和控制;應(yīng)具備抗干擾性和良好的人機交互功能;在充、放電過程中對單體電池進行診斷和相應(yīng)保護。
測量單元基于C8051單片機控制技術(shù)和CAN通訊技術(shù)構(gòu)造,采用分布式結(jié)構(gòu),按積木化設(shè)計各個功能模塊。每個模塊可單獨布置在船艙內(nèi),整個測量單元按功能劃分,主要由以下幾個部分構(gòu)成,即中央處理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、故障診斷模塊、外部通訊接口模塊和HMI控制模塊。管理單元的框圖見圖2。
圖2 測量單元的主要構(gòu)成框圖
測量單元包含多個數(shù)據(jù)采集模塊,它們都通過CAN總線與中央處理模塊相連,實現(xiàn)分布式測量。為了同船舶的其他系統(tǒng)通訊且不干擾電池均衡系統(tǒng)內(nèi)部各模塊的通訊,系統(tǒng)采用了另一條獨立的CAN總線,這里我們稱之為外部CAN總線。外部通訊接口模塊在這里同時是兩個CAN網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點,起到網(wǎng)關(guān)的作用。
數(shù)據(jù)采集模塊也采用C8051f040作為其控制中心,利用其內(nèi)部集成的12位A/D直接對單體電池端電壓、溫度模擬信號進行測量,將采集數(shù)據(jù)發(fā)送到內(nèi)部CAN總線。
對于串聯(lián)成組的鋰電池組,在對單體電池端電壓進行測量時,就存在共模電壓過高的問題。在數(shù)據(jù)采集模塊中,對單節(jié)電池電壓測量采用AD629,AD629是AD公司新一代運算放大器,它最大的特點是它可以在某些情況下代替隔離放大器,在雙電源供電時AD629輸入端可以耐高達500 V的共模電壓。在每個數(shù)據(jù)采集模塊中使用了10片AD629,每一片AD629的兩個輸入端分別接對應(yīng)電池的正負(fù)極,在AD629的輸出端得到此節(jié)電池電壓,這個電壓是對地電壓,從而解決了共模電壓高的問題。
數(shù)據(jù)采集模塊中對單體電池溫度的測量采用了Dallas公司提供的數(shù)字式溫度傳感器芯片DS18B20。該溫度計采用了與眾不同的原理,它利用溫敏振蕩器的頻率隨溫度變化的關(guān)系,通過對振蕩周期的計數(shù)來實現(xiàn)溫度測量的。為了擴大測溫范圍和提高分辨率,使用了一個低溫系數(shù)振蕩器和一個高溫系數(shù)振蕩器分別進行計數(shù),并采用了非線性累加器等電路來改善線性。
在滿足電池組技術(shù)指標(biāo)要求的前提下,研制成了基于隔離型直流/直流開關(guān)電源的串聯(lián)電池組均衡系統(tǒng)。均衡系統(tǒng)為每個單體電池配置一塊均衡單元,如圖3。
圖3 均衡單元主電路原理圖
每個均衡單元采用一個隔離型直流/直流開關(guān)電源作為主要部件,如圖3的均衡單元采用了一個正激變換器構(gòu)成均衡輔助充電的主電路,根據(jù)電池的容量和電壓,變換器的種類可以選擇其他類型。1-隔離型的PWM開關(guān)式直流-直流變換器(本圖例為一個正激變換器),用于從整個電池組兩端取得能量對落后的單體電池進行補充;2-測量電阻或傳感器,用于測量補充的電流的實際值;3-恒流控制單元,如圖是一個簡單的恒流閉環(huán)控制的示意圖,根據(jù)實際的需要,還可以擴展為雙環(huán)的閉環(huán)控制,實現(xiàn)功能:在未達到設(shè)計電壓時恒流工作,達到設(shè)計電壓時恒壓工作的功能;4-驅(qū)動單元,由于控制器放在正激變換器的副端,所以控制原邊的功率開關(guān)管的開通和關(guān)斷需要一個變壓器進行隔離控制;5-隔離控制單元,該單元主要用于接收測量單元給出的信號,當(dāng)測量單元控制器認(rèn)為此時應(yīng)該對該單體電池補充充電,則給出一個低電平信號,均衡單元開始工作。整體功能如下:主電路的輸出端串聯(lián)一個測量電阻,測量輸出的電流并轉(zhuǎn)化為電壓值輸入至控制環(huán)路;控制環(huán)路有一個運放對輸出電流的電壓值進行放大,輸入至誤差放大器,誤差放大器接成PI環(huán)進行調(diào)節(jié),輸出至PWM比較器,控制環(huán)路根據(jù)輸出電流采樣電壓值調(diào)節(jié)PWM脈沖寬度,從而調(diào)節(jié)輸出電流值與電流給定相等,實現(xiàn)對單體電池的恒流充電;PWM脈沖信號經(jīng)過一個由脈沖變壓器構(gòu)成的隔離驅(qū)動部分,對正激電路原邊的開關(guān)管進行驅(qū)動控制;同時在控制環(huán)路中增加由I/O端口控制的MOS管,用于接測量單元的數(shù)字信號,實現(xiàn)對輔助充電電路的起??刂?。
均衡單元采用隔離型開關(guān)電源結(jié)構(gòu),有利于實現(xiàn)串聯(lián)電池組對電壓電池落后于整體平均電壓的電池進行電量的補充,它由測量單元通過I/O端口實現(xiàn)起/??刂啤>唧w的,測量單元實時測量串聯(lián)電池組中每個單體電池的電壓,當(dāng)發(fā)現(xiàn)由單體電池的電壓落后于電池組平均電壓時(這一比較過程也可由均衡單元自己通過電壓比較器來完成),通過I/O給出低電平信號,均衡單元開始工作為落后的電池進行補充充電,實現(xiàn)串聯(lián)電池組電池的一致化。MOS管的開關(guān)頻率可以達到100 kHz,可大幅縮減隔離變壓器體積和成本,適宜船用等空間緊張等環(huán)境。均衡單元對單體電池采用恒電流充電模式,可與主充電機同時進行充電作業(yè)而不會互相干擾。
當(dāng)有任一單體電池充電超過4.00 V時,關(guān)閉主充電機,由電池組測量單元自動將電池繼續(xù)均衡直至單體電池電壓值之差不超過30 mV。
圖4 電池組電壓曲線
將主充電機、鋰電池組和均衡系統(tǒng)按圖1連接線路并接上電源,對電池組進行均衡系統(tǒng)實驗。首先啟動測量單元,測量單元自動判斷鋰電池組是否需要充電,如需要充電則自動啟動主充電機,監(jiān)控各個單體電池電壓與電池組平均電壓值的差值,如需要均衡則自動啟動對應(yīng)均衡單元。試驗人員每隔10~20 min記錄一次當(dāng)前各個單體電池電壓值。根據(jù)試驗數(shù)據(jù),我們繪制了通過電池均衡系統(tǒng)對電池組在充電過程2串2并電池組電壓曲線,見圖4。試驗中我們通過對電池組放電人為的使得電池組內(nèi)電壓的不均衡,其中1#電池初始電壓為3.1996 V,2#電池初始電壓為3.4746 V,初始狀態(tài)電壓差值約275 mV。在主充電機進行0.1C充電過程中通過均衡系統(tǒng)的不斷監(jiān)測,對落后電池不斷的進行采用輔助充電。根據(jù)試驗結(jié)果,在整組電池充電總時間約1/3的時刻,1#與2#電池電壓基本均衡,之后電池組電壓差不超過5 mV。采用均衡系統(tǒng)后,在足夠的調(diào)整時間內(nèi),可使得串聯(lián)充電的鋰電池組均衡性僅取決于測量單元本身的電壓采樣精度。可以看出該均衡方案在實現(xiàn)中是可行的。
小容量鋰電池在民用領(lǐng)域等方面獲得了廣泛的應(yīng)用,而中、大容量的安全問題一直備受關(guān)注,因此在船舶應(yīng)用中受到了限制。組合的電池組如果得不到外部監(jiān)測保護的精確均衡控制,對單體電池而言,無異于濫用從而引發(fā)安全事故。根據(jù)設(shè)計和實驗,本文提供了一種適用于串聯(lián)充電的鋰電池組各單體電池電量均衡的一種方案,并基于分析和試驗驗證了該方案中的有效性和實用性,也為后續(xù)的應(yīng)用提供了一個新思路。同樣還必須指出,這類方案的設(shè)計思路其實還有很多,例如將均衡單元做成能量可雙向流動的,這樣可以對電壓低的單體電池補充充電,而對電壓高的單體電池進行放電,充電的來源和放電的去向都是電池組,這同樣也能達到均衡的效果而且也不帶來除轉(zhuǎn)換損耗之外的損耗,都可以作為今后研究的方向之一。
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Research on the Equilibrium Management of Lithium Batteries Connected in Series
Chen Lijian
(Wuhan Rule and Regulation Research Institute, China Classification Society, Wuhan 430022, China)
TM31
A
1003-4862(2013)04-0054-04
2012-08-30
陳立劍(1982-),男,碩士。研究方向:船舶電氣。