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基於實現電池組串並聯切換的管理系統研究

由 全國能源資訊平臺 發表于 運動2022-07-06
簡介圖4 電池組與繼電器電路圖2.2 智慧控制模組智慧控制模組由MCU與控制電路構成,該模組的主要功能為:判斷電池包的實時狀態,監測各個電池組實時電壓,透過控制輸出埠高低電平的輸出,從而控制電路中所有繼電器開關,實現電路串聯和並聯切換的功能

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基於實現電池組串並聯切換的管理系統研究

近年來,隨著新能源電動汽車產業的快速發展,其相關材料製造及組裝技術也在不斷趨於成熟。對於電動汽車的供能系統而言,電池包及其內部電芯的組成結構是影響電動汽車充電效率、電芯容量和使用壽命的一個關鍵因素[1-2]。電池包是由若干節電芯透過串並聯組成電池組,再由若干電池組組合而成的,目前新能源廠商多數採用先並聯後串聯的方式,將電池組串聯構成電池包[3-4]。串聯結構的優勢在於可為電機提供足夠高的輸出電壓並防止出現過大的電流造成電路的損毀,避免了供電電壓不一致時,並聯結構中在電池包內部形成迴路的安全隱患。但由於電芯的差異性,充電時,串聯結構中每個電池組分得的電壓會因本身的內阻和極化程度不一而不同,從而導致電池組充電不均的情況[5]。在此情況下,如果保護電路啟用過充保護,則將有一部分電芯保持未充滿狀態,電池利用率低;如果不啟用過充保護,則會對已經充滿的電芯造成過充損害,嚴重影響電芯及電池組壽命[6-7]。

為了解決上述問題,本文以提升電池組利用率為目標,設計並開發了一套以CSU38M20晶片作為微控制單元(MCU)的串並聯切換管理系統,根據電芯狀態和充放電的需要對電路中繼電器的開合進行控制,從而改變電池組連線結構,實現電路系統串並聯結構的切換,保證電池組充放電均勻。同時利用CSU38M20晶片的電壓監測功能讀取各個電池組的電壓,透過非同步序列(UART)埠傳送實時資料到微控制器並進行處理,進而實現對整個電池包的全面保護和管理。本文采用磷酸鐵鋰/石墨18650電芯,以兩串三並(2p3s)的結構組裝電池組,透過對樣品電芯進行實驗和監測,驗證了串並聯切換管理系統中電路設計和構造方案的可行性及其控制的有效性。

基於實現電池組串並聯切換的管理系統研究

系統結構設計

綜合電池組串聯與並聯的優劣勢可知,多個電芯在不同充放電狀態下的串聯、並聯結構切換可以有效解決單純串聯或並聯所帶來的問題和風險。在本系統結構設計中,透過採集各個電池組的電壓,判斷電池包所處狀態,並根據充放電指令確定電芯連線結構,及時調整各個繼電器開關狀態,並實現各個電池組的電量均衡。

基於電池組串並聯切換的智慧充電系統由三個模組組成,包含串並聯切換模組、智慧控制模組和電芯保護模組,串並聯切換電路系統整體框圖如圖1所示。

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圖1 串並聯切換電路系統整體框圖

每個電池組都由各自的電池保護模組提供安全保護。電池組之間的連線結構、電路通斷則由MCU控制的繼電器開關相連,用於實現串聯或並聯的連線方式。電壓採集模組採用差分訊號的監測方法,每個電池組均有獨立的電壓採集線接入MCU中。繼電器開關、MCU和電芯保護模組均使用系統提供的5 V直流訊號作為電源。

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模組設計與功能

2.1 串並聯切換模組

在本設計中,使用繼電器作為開關來控制電路以實現串並聯切換。在實際應用過程中,因為繼電器將低壓的控制電路和高壓的外部電路連線在一起,很容易產生干擾併發生安全事故,故加入光耦隔離電路作為防干擾的保護措施,使切換模組變得更加安全可靠。電池包中繼電器開關分佈如圖2所示,切換模組工作後的等效電路如圖3所示(為了便於理解,在本圖中以開關符號代替繼電器符號),本設計以3個電池組構成電池包的形式進行實驗與測試。

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圖2 電池包中繼電器開關分佈

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圖3 並聯(左)與串聯(右)等效電路圖

由於電池組通常以串聯的形式供電,因此在本設計中,將負責並聯功能的繼電器(並聯開關)的常閉介面和電路相連,負責串聯功能的繼電器(串聯開關)的常開介面和電路相連,保證即使在電池組串並聯切換功能失常的情況下,依然可以正常為負載供電。電池組與繼電器的具體電路圖如圖4所示,其中綠色模組BT1~BT3為由電芯和保護電路構成的電池組。

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圖4 電池組與繼電器電路圖

2.2 智慧控制模組

智慧控制模組由MCU與控制電路構成,該模組的主要功能為:判斷電池包的實時狀態,監測各個電池組實時電壓,透過控制輸出埠高低電平的輸出,從而控制電路中所有繼電器開關,實現電路串聯和並聯切換的功能。該模組的具體原理為:MCU選用CSU38M20晶片來實現對整個電路的控制,CSU38M20晶片是一款鋰離子電池的MCU晶片,包含UART與I2C埠、電平輸入與輸出埠,其中UART與I2C埠使得晶片可以與其他主機進行通訊,電平輸入埠可以用來監控若干節鋰離子電池的電壓,電平輸出埠可以輸出高/低電平以控制開關進行串並聯狀態的切換。通訊埠與充電機或電池管理系統相連,檢測充電機具備的輸出能力並判斷電池包當前所處狀態;電平輸入埠和鋰電池相連,以差分電壓的形式為監測晶片提供資料,MCU以此來判斷控制電路所處狀態並進行相應操作。智慧控制模組電路如圖5所示。

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圖5 智慧控制模組電路

智慧控制模組在收到指令後首先透過監測到的電池電壓判斷電池包當前所處狀態(充電、放電、靜置),同時確保所有連線到控制開關的輸出埠均為無輸出狀態以保證電路安全。當通訊模組收到充電指令時,與充電機通訊,檢測充電機具備的輸入能力,根據充電機的輸入能力,配置不同的充電方式,並根據需要為不同的輸出埠配置不同的輸出電平以實現電路結構的切換,輸出埠為圖5中所有與S11~S23連線的埠。當通訊模組收到放電指令時,基於電池包在放電時需要以並聯形式供電的情況,MCU控制與並聯開關連線的埠全部輸出高電平,與串聯開關連線的埠保持關斷狀態。

2.3 電芯保護模組

由於電路中存在多個開關,在為整體電路以及MCU程式進行周密的安全效能設計之後依然需要防止短路情況的出現,因此電芯保護模組主要用於對單個電池組的短路保護。電路設計中選用艾普凌科電池保護積體電路晶片(IC),具體IC型號可以根據需要保護的電芯數量決定,本設計中採用S-82A1A系列電池保護IC與單個電池組進行連線並接入到整體電路中,以防止過充、過放和過流情況的出現,其電路圖如圖6所示。

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圖6 電芯保護模組電路圖

VM為外部負電壓輸入埠,VINI為過電流監測埠,可以判斷電池當前電壓是否位於正常範圍內;CO與DO分別為充電控制用場效應電晶體(FET)門極連線埠和放電控制用FET門極連線埠,兩個埠與兩個反向連線的N溝道金屬-氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)相連。以充電情況為例,DO埠持續輸出低電平,電芯電壓位於安全電壓範圍內時,CO埠輸出高電平至MOSFET的G極,MOSFET導通,整體電路形成通路;若電芯電壓高於過充電檢測電壓,則CO埠輸出低電平,MOSFET斷開,整體電路形成斷路,從而達到保護電芯和電路的目的。

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系統實現及資料測試

為了驗證該智慧管理系統的可行性,製作了實驗樣機。實驗電路中採用2個電芯磷酸鐵鋰/石墨18650型電芯並聯構成一個電池組,共三組電池組串聯的形式作為控制物件進行實驗。實驗資料經過MCU傳輸至電腦端,便於對實時狀態進行判斷和監測。實驗樣機如圖7所示。

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圖7 實驗樣機

實驗以串並聯交替切換的形式共進行了10組測試,每組測試中均進行一次串聯和並聯的切換,且保證每組測試時電池包的電量狀態均不相同,測試所得資料如表1所示,電壓測量誤差均值為0。67%,電壓採集的誤差較小,說明該電池系統的採集功能較好,可以保障MCU根據精確的電壓資訊更好地控制電路系統。

表1 電壓採集資料表

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結 束 語

為了使得新能源電動車系統中的電芯利用率更加高效安全,且電池包結構更為靈活,本文基於CSU38M20晶片設計了一種高效低成本且安全的電池組串並聯切換智慧管理系統。本智慧管理系統可精準有效地監測電池包內各個電池組的電壓資訊,測量誤差均值為0。67%。同時,MCU接收到切換指令後控制繼電器工作,電路系統整體平穩,未出現較大的電壓和電流波動,電池組的串聯結構和並聯結構隨繼電器開關的通斷而有序地切換。該智慧管理系統可有效地在電池充電、放電的過程中監測各個電池組狀態,並及時進行結構調整,從而提升充放電效率,穩定電池組執行環境,進而提高新能源電動車的安全係數。

參考文獻:

[1] LU L, HAN X, LI J, et al。 A review on the key issues for lithium-ion battery management in electric vehicles[J]。 Journal of Power Sources, 2013, 226: 272-288。

[2] XIAO X, QIAO L, LI S。 A Li-ion battery management system based on MCU and OZ8920[J]。 Procedia Engineering, 2012, 29: 738-743。

[3] 南金瑞,孫逢春,王建群。純電動汽車電池管理系統的設計及應用[J]。清華大學學報(自然科學版),2007,47(S2):1831-1834。

[4] 喬旭彤,耿海洲,董峰。集中式電動汽車電池管理系統設計[J]。電子測量與儀器學報,2015,29(7):1019-1027。

[5] 王燦燁,劉庚辛,王鑫泉,等。基於主動均衡策略的電動汽車用鋰電池管理系統設計研究[J]。汽車技術,2018(6):5-10。

[6] 何秋生,徐磊,吳雪雪。鋰電池充電技術綜述[J]。電源技術,2013(8):1464-1466。

[7] 姜長泓,徐宏。礦用鋰離子電池主動均衡控制系統的研究[J]。電氣傳動,2018,48(4):37-40。

作者:

任嘉祥,董新華,王星,沈力,沈文卓

單位:

上海交通大學 電子資訊與電氣工程學院

上海碳源匯谷新材料科技有限公司

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