锂离子电池组均衡充电和保护系统研究

TransactionsofBeijingInstituteofTechnology

Vol.24　No.3Mar.2004

　　文章编号:1001205(2004)0320210204

锂离子电池组均衡充电和保护系统研究

李红林,　张承宁,　孙逢春,　李军求,　张　旺

(北京理工大学机械与车辆工程学院,北京　100081)

摘　要:为了提高串联电池组充电过程中的一致性,设计了电池组均衡充电保护系统并介绍了其具体实现方法Ζ分析了锂离子电池组均衡充电保护系统在电池组充电过程中的均衡充电和保护功能,建立了电池组均衡充电的控制模型Ζ在锂离子电池组的均衡充电试验过程中,测量了模块的分离电流和反馈总线电压Ζ豪华电动大客车

BFC6100EV运行试验表明,均衡充电保护系统改善了电池组充电过程中的一致性以及保护作用,改善了电池的性

能,延长了电池组的使用寿命Ζ

关键词:均衡充电;锂离子电池组;电池组管理;电动车辆中图分类号:TM91218;U469172　　　文献标识码:A

EqualizationChargingandProtectionSystemforLi-IonBatterySeries

LIHong2lin,　ZHANGCheng2ning,　SUNFeng2chun,　LIJun2Qiu,　ZHANGWang

(SchoolofMechanicalandVehicularEngineering,BeijingInstituteofTechnology,Beijing100081,China)

Abstract:Asystemisdevelopedtoimprovetheseriesbatterypacksconcerningtheiruniformityandchargingprotection.Measuresfortheimplementationofbatteryequalizationduringchargingandtheprotectionsystemarediscussed.Functionsofequalizationchargingandoverchargingpro2tectionareanalyzed,andmodelofcontrolforseriesbatterypacksequalizationchargingissetup.Diverting2currentandfeedbackbusvoltagearemeasuredduringexperimentsonseriesLi2ionbat2terypacksequalizationcharging.FieldoperationonluxurytransitbusBFC6100EVshowedthatthesystemdidimproveonthebatteryseriescharginguniformityprovidedoverchargingprotec2tion,enhancedbatteryperformanceandprolongedbatterylife.

Keywords:equalizationcharging;Li2ionbatteryseries;batteryseriesmanagement;electricve2

hicle

　　目前电动车辆产业化的一个主要因素就是电池的性能和寿命Ζ尤其当采用串联电池组作为动

力源时,电池间的不一致性会导致电池具有不同的充电特性,从而增加了电池组充电过程中电池单体发生过充的可能性,使得电池组的性能下降Ζ对电压

敏感型的锂离子电池来说,过充是必须避免的,否则电池的安全性得不到保障Ζ但在实际的电动车辆应用中,动力电池的充电都是通过给整个电池组充电实现,缺乏对单体电池的监视和保护,即使通过电池组管理系统对电池进行监视,也仍然缺乏有效的方

收稿日期:20030520基金项目:国家“八六三”计划项目(2002AA501821)作者简介:李红林(1978-),男,博士生,E2mail:lhlbitev@bit.edu.cn;张承宁(1963-),男,教授,博士生导师Ζ

　第3期李红林等:锂离子电池组均衡充电和保护系统研究211

式对电池组的充电进行控制和保护Ζ

目前对电池组进行均衡管理的算法,主要有能量耗散型和能量非耗散型两种Ζ对于电动车辆长串的电池组应用来说,一般采用能量非耗散型的模式,如开关电容均衡系统和双向可逆DC󰃗DC动态均衡系统[1,2]Ζ这两种系统都可以实现动态均衡,而且没有复杂的控制系统,只要电池组中电池单体电压差超过一定范围,均衡模块在相邻电池间进行能量的交换,从而实现均衡Ζ

但是从电动大客车用锂离子电池组长期的试验过程看,电池组的一致性和过充是两个严重的因素Ζ作者设计了锂离子电池组均充保护系统,简称BECP系统Ζ该系统采用模块化结构,BECP模块不间断地监视单体电池的充电电压,当电池的充电电压达到过充电压(如雷天牌200A・h󰃗316V锂离子电池的过充电压为4135V)时,模块开始调节单体电池的充电电流,以维持恒定的充电电压;当电池的电压达到安全限(4150V)时,模块自动发出报警信号,通知充电机减小充电电流,从而实现对电池组充电的保护Ζ

转移Ζ同时当电池的端电压达到4150V时,模块比较电路产生误差信号并把误差信号传送给充电机控制系统,调节充电电流,直至误差信号保持零为止Ζ

2　系统工作原理分析[4,5]

1　电池组均充保护系统实现均充保护系统原理图如图1所示,其中BECP模块主要由1个升压型的转换式电源构成[3],输入为电池两端的电压Ζ当输入电压(电池端电压)大于4135V时,转换式电源通过调节占空比使流过电池

电池组均衡充电保护系统分析模型如图2所示,其中充电机以电流源is简化,其大小可由电池组均充保护模块控制Ζ均充保护模块BECP连接到电池两端作为输入,输出经过汇流排反馈回充电总线Ζ在充电过程中,当均充保护模块不工作时,电池组中的充电电流ic等于充电机的电流is,当充电过程中有的电池电压达到过充电压时,均充保护模块开始工作,把电池中的充电电流分离出去从而维持充电电压Ζ分出的电流在模块的作用下,转化为高压小电流,由输出端反馈回充电总线,所以均充保护模块分出的能量没有损失,并且这种反馈属于正反馈,所以会增加电池组中的充电电流,使得电池组中模块没有分流的电池单体的充电电流增加,从而提高了充电效率Ζ

的充电电流减小,分出电流流经BECP模块转化成高压小电流信号,然后高压小电流又反馈到充电总线,实现正反馈,从而使电池端电压恒定在4135V;如果当BECP分出的电流达到最大值,而电池的电压仍继续上升到电压的安全限(4150V)时,模块发送报警信号并同时发送信息给充电机减小充电电流,直到减小到报警信号消除为止,从而实现对电池组充电单体电池的保护Ζ

为了在模块中获得高精度的电压,设计时采用了电流模式的PWM控制器UC3844;输入电压由外部的12V稳压电源提供,输出为两个高精度的电源:(4135±0103)V和(4150±0103)VΖ升压型的转换式电源采用了Flyback转换器[3]ΖFlyback转换器由高速PWM控制器UC2825A控制,根据比较信号产生不同占空比的双路PWM控制信号,在驱动电路的作用下控制两个功率Mosfet,从而实现模块中储能变压器的能量转移,实现对电池充电电流的

212北京理工大学学报第24卷　

如图2所示,设均充保护模块BECPn的增益系数为Β,由于

(1)ic=is+io1+io2+…+ion,并且

ion=idnΒ,

子电池进行充电[6],电池处于完全放电状态;为了获

得BECP模块分流电流、反馈电压和电池单体电压的关系,试验时在每个分流模块处接入1块电流表,同时由于反馈总线的电压范围在110～130V之间,为了能回收反馈能量,把反馈充电总线接在由10块铅酸电池构成的电池组两端,铅酸电池的初始电压为118V,并在反馈线两端接入电压表,以观察反馈电压大小Ζ

则流过电池B1的电流

ib1=is+id1(Β-1)+id2Β+…+idnΒ,

(2)

式中　ic为电池组的充电电流;is为充电机的输出电流;io1,io2,…,ion为均充保护模块的输出电流;id1,id2,…,idn为均充保护模块的分离电流Ζ

如果假设电池单体的特性函数为Zb,充电机的充电控制函数为C,电池单体的过充压限为VA,电池端电压为Vb,则电池组均衡保护充电系统的功率流图如图3所示Ζ

当电池组中存在Vbic1+CZb(3)=,

is1+CZb-nΒCZb

则当稳态t→∞时,如果CZbµ1,有

ic1(4)→Ζ

is1-nΒ如果取BECP的增益Β=1󰃗N,则

icN→,isN-n

试验充电电压和电流随时间的变化曲线如图5所示,电池单体B1,B2,B3,B4,B5的电压随时间变化曲线如图6所示,同时图6中还表示出了当模块BECP2分流,而其余模块没有分流时的局部放大Ζ

图5　电池组充电电压和电流变化曲线

Fig.5ChargingvoltageandcurrentforLi2ionbatteryseries

其中n为BECP工作的个数;N为串联电池数Ζ因此,为了使系统工作稳定,电池组充电系统中BECP工作的最大个数n为N-1,当第N个BECP开始工作时,表明电池组中的所有电池的充电电压都已达到充电电压限,此时最后工作的BECP会控制充电机减小充电电流或者停止充电,以避免电池组中的电池发生过充或者使系统变得不稳定Ζ

3　试验分析

为了对模块进行调试,进行了如图4所示的试验Ζ采用德国Digatron的BNT4002050电池充放电系统对5块串联的雷天牌200A・h󰃗316V的锂离

图6　电池单体电压随时间变化曲线

Fig.6　Voltagevs.chargingtimeofasinglecell

从图5和图6中可见,分流模块开始工作的时

间大约在415h处,此时的充电电流约为1610A,且5块电池中B2的容量较小,B1和B4容量居中,而B3

　第3期李红林等:锂离子电池组均衡充电和保护系统研究213

和B5容量偏大Ζ当模块BECP2开始分流时,由于电池的容量较小,电压上升较快,所以分流电流在较短的时间里达到10A,致使电池B2的充电电压下降并保持在4135V的水平;而电池B1,B3,B4,B5的电压继续上升,只是B5和B3的电压上升较快Ζ随着充电电流的减小,BECP2所分出的电流也逐渐下降,电池B2的电压保持在4135V或者有较小的下降,而其它电池电压的上升导致模块逐渐开始工作,当BECP5开始工作或者充电机电流下降到215A时即可停止充电Ζ

分流总线电压和分流电流与时间的关系曲线如图7所示Ζ当模块开始分流时,充电反馈总线的电压不断上升,从而给铅酸电池组充电;从测量数据可以看出,模块的最大分流电流超过10A,并且可以持续工作较长时间Ζ随着充电电流减小,为了维持4135V充电电压,分流模块所分出的电流也逐渐减

电电压达到安全限,则发出报警信号,并通知充电机减小充电电流,从而保护锂离子电池组Ζ目前该模块已被成功地应用到电动大客车BFC6100EV的电池组系统中Ζ由于BFC6100EV的电池组合为3(并)×108(串),在实际安装时,把每个串联组分为4×27的电池单元,并把每个单元的反馈总线相连以满足系统的要求,同时可以利用分立电流给电池组充电Ζ目前模块的进一步开发仍在进行中,以让模块可以识别报警电池,提高对电池组电池的监视Ζ

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小;铅酸电池组的初始电压为118V,由于反馈总线

在不断地给电池充电,所以当充电结束时,铅酸电池组的端电压有所上升,接近119VΖ界图书出版公司,1990.

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图7　反馈总线电压和分流电流与时间的关系曲线

Fig.7　Feedbackbusvoltageanddiverted

currentvs.chargingtime

IEEE

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[6]　李红林,孙逢春,史建军.Digatron(迪卡龙)电动车辆

4　结　论

由于工艺以及工作环境等因素的影响,锂离子

电池串联单体具有不一致性,并且在电动车辆应用中,电池组不断地充电和放电,从而更加剧了这种不一致性Ζ为此,作者设计和开发了锂离子动力电池均充保护系统Ζ从系统的调试结果看,模块通过分离电池的充电电流保证电池的充电电压稳定Ζ如果充　　　

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