基于DSP的动力锂离子动力电池奇偶均衡充电电路(1)

目前国内外也发 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 了很多关于均衡充电的论文，文献［3－ 4］采用多副边隔离变压器对电池组进行充电，虽防止大电流对 电池组的冲击，但受变压器的副边数限制，缺乏对电池个数调整 的灵活性。 文献[5]引用了半桥电路来实现双向均衡，因分流过 程和续流时间较短，过多的元器件将产生更多的能耗。本文提出 了一种新的动力电池奇偶均衡充电电路， 通过把组中电池按奇 偶进行划分，目的是控制续流能量的走向，使上下部单体均匀接 受能量补偿。 这种均衡 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 的设计在组中中间级单体过充电时 尤为突出，这就避免了剩余能量流的单一流向，从而提到均衡效 率，大大缩短充电时间，且电路设计简单，控制较为方便。 1 动力锂离子奇偶均衡充电的原理 奇偶均衡充电模块是由简单、灵活的前向均衡模块（图 1） 和后向均衡模块（图 2）组成，分别按电池组中单体的偶数序列 和奇数序列放置，这也是本充电均衡方案的本质所在。为的是解 决控制能量流走向的问题，从而实现无损的双向动态均衡。当电 池单体 Bx端电压大于电池组平均电压 Uavr时，Qn被打开， 剩余 能量通过 Ln流过下部单体，电流 Ii，能量存储于 Ln。当 Bn的端压 小于 Uavr，Qn关闭，电感沿二极管 Dn续流，电流为 Ij。前向均衡模 块有效的把剩余能量在不同的两个间断从上下两个方向分流出 去。后向均衡模块和前向均衡模块类似，最大的差别在于续流期 间，让能量流的走向从剩余单体的下部到达充电总线。 图 1 前向均衡模块 图 2 后向均衡模块 奇偶均衡充控制系统如图 3 所示，由 N 个电池串联而成的 电池组，采用单电源 Ich充电，MOFET 管的控制开关脉冲由 TI 公 司的 32 位高性能 DSP 提供，PWM controller 根据 AD（Aanlog Device）公司的 14 位高精度数模转换器 AD7865 采集的端压， 精度可达微伏级。 经设计的充电算法控制 PWM 产生单元输出 相应的门驱动序列。在电池组两侧对称地分布均衡分流模块，在 电池奇序数侧，如 B3虚线框内放置后向均衡模块（BBM），当 B3 电池端电压 UB3＞Uavr时， 剩余能量沿 L3从 B4至 Bn返回充电总 线 Ich，当电感 L3续流时，驱动 MOSFET 管 Sb开通，能量流沿原 来的电池通路经 Sb、D3返回到 L3，形成续流的循环通路（如图中 虚线所示）直到把所有的能量分配完，Sb关闭，充电回到新的平 衡状态。 在电池的偶序列侧，采用前向均衡模块（FBM），如单体 Bn－2，当 UBn－2＞Uavr时，Qn－2开通，能量流只经过 Bn就回到充电总 线，而在 Ln－2续流期间，续流电流在 Qc 的配合下，形成从 B1 到 Bn－2的能量分配通路，实现了快速分流和续流的过程，同时剩余 能量的分配均匀程度得到了很大的改善。既提高了均衡的效率， 又缩短了充电时间，提高整个系统的充电效率。 基于 DSP的动力锂离子动力电池奇偶均衡充电电路 黎继刚 张寅孩 林 俊 葛金法 （浙江理工大学，浙江 杭州 310018） Equalization Circuit with Odd and Even Module for Power Li－ion Series－connected Batteries Based on DSP Controller 摘 要 针对电动汽车动力电池包中单体电池性能差异造成的不良影响，提出了一种简单、高效、高可靠性的奇偶均衡充电电 路。 该电路中奇偶对称的分流模块不仅实现能量流的双向均衡方案，而且均衡模块按电池奇偶序列的设置，均衡续流时，能 量流能自上而下，自下而上的自动分配。 从而防止均衡时能量流的单一走向而损害单体，基于 DSP 控制的均衡实验证明了 此方案切实可行。 关键词：充电均衡，锂离子电池组，电动汽车电池 Abstract In view of the differences of individuals＇ performance in battery pack of electric vehicle (EV),efficiency odd and oven charge equalization circuit is proposed．In this circuit, the symmetry converters are arranged on both sides of series－con- nected batteries,moreover,different side utilizing different equalization module,which not only realize the bi－direction equaliza- tion,but also the arrangement of preset module make the excessive energy current flow from bi－direction．So this can effi- ciently prohibit individuals from over charging or discharging and decrease the difference between batteries．An experiment base DSP controller is introduced to verify the feasibility of this circuit． Keywords:charge equalization,li－ion series－connected batteries,batteries of electric vehicle 图 3 奇偶均衡充电方案原理图 基于 DSP 的动力锂离子动力电池奇偶均衡充电电路90 《工业控制计算机》2009 年 22 卷第 7 期 2 动力锂离子奇偶均衡充电的原理软件设计 均衡模块的控制关键在于准确的监测电池的荷电状态 （SOC）和准确计算驱动 MOSFET的 PWM占空比。 利用 A ／D转 换精度高，DSP 处理的速度快等特点， 做到实时性闭环反馈控 制。其中，SOC 的获得要通过复杂的算法和大量的变量推导，这 些变量主要包括：单体电池端电压 UBi，电池额定充电电压 Uc， 电池组的组压 Umax，电池的最大允许充电电流 Imin，额定充电电 流 Ic；电池单体的温度 Ti，电池组的充电温度 Tmax 等等，这些变 量的获得需要专用的设备才能得到。 复杂的算法例如：文献［6］ 采用高级的神经网络对电池 SOC 的估计，文献［7］利用电池的 端电压和电流对 SOC 进行自适应估计。 但总体来讲，由于电池的 SOC 和电池的开路电压有着密切 的联系，为了能够实验验证本文提出的奇偶均衡充电策略，采用 端电压法测出电池的 SOC，而其他的参数作为实验控制的条件。 本文提出的动力锂离子电池奇偶均衡冲电软件控制流程图 如图 4所示， 首先通过高精度 AD7865 对 6 路电池端电压进行 采样，经 A ／D 转换后，在 A ／D 转换的中断程序中读取结果寄存 器中的数据，并与计算得到的电池组平均电压对比。 将对比结果 参数传递至占空比计算函数，分别计算并使能各路 PWM 生产单 元，驱动相应的 MOSFET导通或关闭，构成电池管理的反馈闭环 系统，完成整个充电过程的控制，同时具备保护和均衡的功能。 图 4 均衡模块的 DSP 控制流程图 3 电路操作模式及能量分析 为了减少开关损耗，所有的均衡子电路工作在 DCM 状态， 本文在实验的过程中把整个充电周期 T 分为两个间断： ①分流 间断：DT；③续流间断：（1－D）T。 分流间断（DT）：如图 5 所示，下标［n］和［n－1］分别代表奇 偶电池， 由于电池的不一致性而使组中某一单体电池出现过电 压时，根据压差△V＝UBi－Uavr确定开关的占空比（也即分流电流 大小），分流电流 ILn使电感 Ln从电池吸收能量为 Qn（图中的阴 影部分）。 对比于 Qn－1可以看出，Ln－1分流的能量比 Ln少，也即 是 UBi－1与平均电压的压差△V 较小，出现的过充深度不明显。 续流间断(1－D)T：电感通过续流二极管 Dn 释放能量。 Qsn 标示了电感续流时释放的能量，也即使电感 Ln或者 Ln－1释放的 能量，能量转换的多少由（1）式表示： iq＝ UBi L t 0≤t≤DT iq＝0 DT≤t≤ ≤ T （1） 其中，iq：瞬时分流电流，UBi：第 i 个电池的端压，T：均衡周 期，D：分流占空比。 分流时，电感电流线性上升，均衡器从电池上逐渐吸收多余 充电电流。 分流时，电感释放其吸收的能量到单体或充电总线， 并且在 Q 关断瞬间电感电流达到其峰值，吸收的能量可以用其 平均电流表示： Iq＝ 1 T DT 0 乙iq dt＝ UBD 2 T 2L （2） 特别地，当多个电池同时进行分流操作时，由于奇偶均衡模 块的交替放置， 使得上部或者下部电池均匀的接受的分流电流 能量的补偿，比起能量单一走向的均衡器，有分流速度快，续流 时间短等特点。 奇偶均衡电路转移的能量可按下式计算： Iq＝Ich＋ n－k i ＝ k ΣIqk＝Ich＋ n－k i ＝ k Σ UBiD 2 T 2L （3） K 为整数。 4 试验结果与分析 为了验证本设计的均衡效果 ， 选取 6 节磷酸铁锂连成 10AH 电池组（如图 6），电池组各条件参数如表 1 所示。实验前， 通过对电池单体进行处理，使各单体端电压（SOC）不均等，如表 1 所示，用 3A 电流恒流充电，当电池组电压达到 33．4V 转为恒 压充电，充电电流降到 200mA 时终止充电。 分别对各节单体端 压采样，采样周期为 1s，充电时间约 3 小时充满。 表 1 电池组的实验数据及实验前电池单体的 SOC调整 记录单体电池电压，相隔一分钟抽取实验点数，共 120 点， 排列如图 7 所示：最终单体的电压趋于一致，且电压偏差△V≤ 0．2V，电池组的不一致性得到很大的改善。 在无均衡情况下，电 池间的电压呈不规律发散状态， 其中某个单体出现过充而有些 单体未能充满而导致停止充电。 而奇偶均衡模块在充电过程中 有效地缩小了两电池间的电压， 尤其在充电后期能避免电池过 充电从而保护了电池组，最终使各电压趋于平衡。在整个实验过 程中，奇偶均衡模块不但实时的分流了电池多余的能量，而且把 图 5 能量转换波形图 91 （上接第 89 页） 中断产生。 在定时器 1 累加到设定值时， 发生定时器 1 周期中 断，相应程序流程图如图 7 所示。 4 试验结果 图 8 为 32 细分驱动时两相参考电压期望波形。 本实验采用永磁感应子式步进电机， 电机的额定电压为 24VDC，额定电流为 2．6A，相数为两相，连续堵转力矩为 4kg·cm。 图 9为 32细分驱动时实测的 L6207的两相参考电压波形。 5 结束语 LPC2138 和 L6207 的高度集成性， 使得电路设计变得简 单，控制方式灵活。 基于它们设计的控制系统具备噪声小、步进 精度高、功耗低等特点，控制系统工作在 32 细分的模式下对步 进电机进行控制时 ， 控制精度达到 0．05625°， 通过直径为 100mm 的同步带传动，服装裁剪机精度为 0．049mm。 参考文献 ［1］李国富，华尔天，等 ．数控服装裁剪机控制系统设计［J］．科技通报， 2005（11）：729－731 ［2］秦永左，卢万欣，等．激光在服装裁剪中的应用及其二维控制的实现 ［J］．长春光学精密机械学院学报，2001（3）：16－20 ［3］龚玲平 ．高性能步进电动机细分驱动器的设计［J］．微计算机信息， 2008，4（2）：295－296 ［4］巫传传 ，王晓雷 ．控制电机及其应用 ［M］．北京 ：电子工业出版社 ， 2008 ［5］万达淳，代作晓，等．基于 DSP 的多路四相步进电机控制器的设计与 实现［J］．科学技术与工程，2008（8）：1994－1997 ［6］STMicroelectronics 公 司 ．Dmos dual full bridge driver with pwm current controller[Z]．STMicroelectronics． 2003．9 ［收稿日期：2009．1．14］ 电池的电压、电流控制在单体或电池组允许的范围内。既实现了 有效的均衡，又得到了保护。 图 6 奇偶均衡充电实验原理图 图 7 奇偶均衡中各电池单体充电效果图 5 结束语 本文的创新点在于通过把电池组中单体按奇偶序列的划分 来确定均衡模块的构建，有效地运用了前向均衡和后向均衡模块 的优点。 在充电过程中及时的分流单体多余的能量，特别在多单 体分流和续流时，控制能量的走向能及时而有效的实现分流和续 流，避免了不必要的过充，既保护了电池组，延长了电池组的寿 命，又缩短了充电的时间，实验证明此电路有较好的均衡效果。 参考文献 ［1］张朝明，刘明，张严，等 ．锂离子动力电池充电技术研究［J］．鱼雷技 术，2007（12）：1－5 ［2］吴友宇，梁红，等 ．电动汽车动力电池均衡方法研究［J］．汽车工程， 2004：1－4 ［3］CHIN S．MOO,YAO C． HSIEH and I S． TSAI,″ Charge Equal- ization for Series －Connected Batteries″ IEEE Trans． AEROSPACE AND ELECTRONIC SYSTEMS VOL．39．NO．2 April 2003,pp704－709 ［4］Hong－Sun Park, Chong－Eun Kim, and Gun－Woo Moon．etc,″ Charge Equalization with Series Coupling of Multiple Primary Windings for Hybrid Electric Vehicle Li－Ion Battery System″ IEEE 2007,pp266－271 ［5］刘春梅，朱世宁．电池组双向无损均衡充放电模块的设计［J］．微计算 机信息，2006，12（2）：251－253 ［6］A． Affanni, A． Bellini, C． Concari, G． Franceschini, E． Loren- zani,C．Tassoni ″ EV Battery State of Charge:Neural network based estimation″ 2003 IEEE．pp684－688 ［7］M． McIntyre,T．Burg,D．Dawson, and B． Xian ″Adaptive State of Charge (SOC) Estimator for a Battery1″ 2006 IEEE．pp5740－ 5744 ［收稿日期：2009．3．22］ !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 图 9 L6207 参考端实测波形（细分数为 32） 基于 DSP 的动力锂离子动力电池奇偶均衡充电电路92