大功率锂电池的充放电管理器控制技术研究_图文

1、 大功率锂电池的充放电管理器控制技术研究 冯晶晶 , 肖华锋 , 谢少军(南京航空航天大学 , 江苏省南京市 210016摘 要 :对锂电池 CDM (充放电管理器 的原理进行了分析 , 研究了一种可以根据直流母线电压 和电池电压情况自动进行充 /放电切换的一端稳压一端限压稳流的控制策略 , 并通过 CAN 通信实现了 与 BMC (电池控制器 和液晶显示控制器的数据传输 。最后 , 在 10k W 双向 DC /DC变换器样机上实 现了充放电管理控制策略和数据的实时收发 , 并给出了实验波形和测试数据 。关键词 :充放电管理器 ; 锂电池 ; 双向直流变换器 ; 数字控制中图分类号 :T M

2、912收稿日期 :2009210209; 修回日期 :2009211208。0 引 言锂电池具有能量质量比高 ( 90W h /kg 、定电压高 (3. 6V 、 次 、电率低 ( 6%/月 (电源 、 电动汽车 , 大功率锂电池223。由于锂电池自身材料的特殊性 , 其充电要求高 , 充电电流的上升率有一定的限制 , 过充 、 过放 、 过温都将导致电池性能下降和寿命缩短 。 而锂电池的最大充放电电流值会随着温度 、 寿命的变化而变化 , 充放电电流最大值设得过高会减少电池的寿命 , 而充放电电流最大值设得过低又会降低锂电池的利用率 。因此 , 研究锂电池的能量管理策略 , 根据锂电池的自身

3、状态来实时设定充放电电流对延长其使用寿命有重要意义 。文献 2给出了一种储能元件的能量管理方法 :当电池电压低于最高电池电压值时 , 调节器主要作用是稳定电池电流 ; 当电池电压高于最高电池电压值时 , 调节器主要作用是稳定电池电压 ; 并且 , 充放电模式的切换通过 C AN 总线所传输的信号来控制。 这种控制方法的缺点在于不能自动根据实际电压情况进行充放电的切换 , 需要外部信号的控制 , 动态响应较慢 ; 电池的充放电电流基准值都由硬件电路设定 , 不能根据实际的电池温度、 寿命情况来改变电池的充放电电流 ; 另外 , 其充电电流的上升率没有加以限制 , 使得刚进入充电状态时充电电流值增

4、加太快 , 容易引起电池温度骤升。本文将一端稳压一端限压稳流的控制方案 425用于大功率锂电池的能量管理 :当锂电池处于放电状态时 , 控制旨于稳定母线电压 ; 当锂电池处于充电状态时 , 控制旨于稳定充电电流 , 并且充电电流以电池允许; 充电时 , 当锂电池电 0来, 并通过 CAN 总线通信实现了与 BMC (电池控制器 的数据传 输 , 从而可以实时修改最大充放电电流值以使锂电池 充放电过程最优 , 可以有效延长锂电池的使用寿命 。 1 控制原理分析图 1为系统的整体结构框图 , CDM (充放电管理 器 通过 CAN 总线接收 BMC (主要作用为监测电池的 状态 , 并根据电池的温

5、度 、 容量等因素发出最大充放电 电流指令 发出的最大充电电流和最大放电电流指令 信号 , 通过对采样得到的母线电压 、 电池电压 、 电池电 流等参数的计算 , 给出了 P WM 信号来驱动变换器功 率电路 , 并通过 CAN 总线将变换器的电压 、 电流和温 度等信号发送到显示部分 , 液晶显示变换器当前的工 作情况 。当电池处于放电状态时 , 能量由电池侧流向直流 母线侧 ; 当电池处于充电状态时 , 能量由母线侧流向电 池侧 。图 1 系统整体结构框图41第 35卷第 12期2009年 12月信 息 化 研 究 I nf or matizati on Research Vol . 35

6、No . 12 Dec . 2009 图 2为 CDM 的控制原理框图 , 支路 1为母线电压外环 , 使母线电压 U _dc跟踪电压基准 U _dc_ref 经过P I 调节器后进行最大充电电流 (25A 和最大放电电流 (-40A 的限幅 , 其中 I L _set1和 I L _set2为从 BMC接收到的最大充电电流和最大放电电流指令 , 当 I L _set1(或 I L _set2 超出 CDM 的最大允许充 (放 电电流值时 , 则将电流限制为 CDM 允许的最大值 。 为了实现充电电流以一定的速率缓慢上升 , 电流基准 I L _ref 从0缓慢 上 升 到 允 许 的 最 大

7、 充 电 电 流 值 (可 能 来 自BMC, 也可能是 CDM 的最大允许值 。支路 2为电池电压外环 , 使电池电压跟踪电压基准经过 P I 调节器后进行最大充电电流和最大放电电流的限幅 。图 2 CDM选取支路 1或支路 I L 跟踪电流基准 I L _ref 经过 P I 调节器后进行最大占空比的限幅 , 与三角波交截产生 P WM 信号 。根据母线电压和电池状态 , CDM 有一端稳压 、 一端稳流 、 一端限压稳流 3种工作模式 :(1 当电池电压低于最高电池电压 (即电池没有达到饱和 时 , 电流基准 I L _ref取支路 1的值 , 当母线电压低于电压基准值时 , 电压环输出

8、负饱和 , I L _ref 为负值 , 电池处于放电状态 , 以提升母线电压并稳定在设定的电压基准值 , 即一端稳压控制策略 ;(2 当母线电压高于电压基准值时 , 电压环输出正饱和 , I L _ref限制为最大充电电流值 , 电池处于充电状态 , 即一端稳流控制策略 ;(3 当电池电压充电达到最高电池电压 (即电池达到饱和 时 , 电流基准 I L _ref取支路 2的值 , P I 调节器的输出使充电电流逐渐减小 , 以限制电池电压的升高 , 即一端限压稳流控制策略 。图 2的控制策略的数字控制实现流程如图 3所示 , 数字控制器可以采用 DSP 实现 。2 CAN 通信为满足锂电池较

9、高的充放电要求 , 允许的充放电电流最大值会根据电池的状态 、 温度 、 寿命等因素由其自身的 BMC 决策输出 , 因此 , CDM 要接收 BMC 的充放电电流指令来实时调节工作电流 。本文的 CDM 采用 CAN 作为与 BMC 和液晶显示控制器的通信工具 。图 3 P WM 周期中断子程序流程图锂电池自身的 BMC 采用 CAN 通信方式 1, CDM 的 DSP 自带 CAN 模块 。数据接收采用中断接收方 式 , 当 CAN 接收邮箱接收到信息时 , 将相应的邮箱接 收信息悬挂为置位 , 并跳入 CAN 接收中断子程序 。 CAN 接收中断子程序流程如图 4所示 。图 4 CAN

10、接收中断子程序流程图CAN 的数据发送采用查询发送方式 , 每 0. 3s 发 送一帧数据 , 主程序流程如图 5所示 。3 实验结果在一台为 288V /42Ah 锂电池组充放电管理而开 发的双向 DC /DC变换器 (其主要参数见表 1 中进行 了上述锂电池充放电管理策略的实验验证 。 5 1 第 35卷第 12期 冯晶晶 , 等 :大功率锂电池的充放电管理器控制技术研究 研究与设计 图 5 主程序流程图表 1母线侧电压 :350V :380V 420V电池侧电压 250V 336V最大充电电流 由 BMC 设定 , C DM 内部限为最大允许值 最大放电电流 由 BMC 设定 , C D

11、M 内部限为最大允许值 最大输出功率10k W 开关频率20kHz电池充放电自动切换工作波形如图 6所示 , 此时 BMC 给出的最大充电电流指令为 5A , 最大放电电流指令为 40A 。图 6 充放电转换波形当母线电压低于 380V 时 , 电池工作于放电状态 , 从图中可以看出 , 放电电流并没有达到设定的最大 放电电流值 , 系统工作于稳母线电压状态 。当母线电压从 380V 上升到 390V 时 , 变换器工 作由放电状态转为充电状态 (测量时放电电流为正 , 电池电流先降为 0A, 然后以某一允许值 (13A /min 速率上升到充电电流设定值 。当母线电压从 390V 下降到 3

12、80V 以下时 , 变换 器工作由充电状态转为放电状态 。由于示波器采样带宽限制的原因 , Ch3通道采样 的电池电流波形有一个低频的脉动 (由开关纹波脉动 在示波器有限的带宽下采样引起 , 可以在图 7的展 开波形中看出这个低频脉动在实际的充放电电流中并 不存在 。图 7 充放电转换过程波形展开图图 8为充电过程中当 BMC 所设定的最大充电电 流指令发生改变时的工作波形 。 当充电电流指令信号从 10A 变为 5A , CDM 接收到新的指令信号后 , 充电 电流立刻减为 5A; 当充电电流指令信号从 5A 变为 10A , CDM 接收到新的指令信号后 , 充电电流从 5A 以 13A

13、/min 的速率增加到 10A 。4 结束语本文分析了锂电池 CDM 的控制原理 , 研究了一端61 研究与设计 信 息 化 研 究 2009年 12月 图 8 最大充电电流指令发生改变时的波形稳压一端限压稳流的控制策略 , 这种控制策略可以根据母线电压和电池电压情况自动进行充放电切换 , 实 现了充电时电流以规定的速率增加 ; 通过 CAN 现了与 BC M , , 能 应用于 UPS 、 、 。参 考 文 献1L ithiu m 2i on battery user s manual E B /OL.htt p:/www.saftbatteries. com /doc /Docu ment

14、s /stati onary /Cube 782/I ntF LEX_0708. ce3d756b 2b57124cf32a9522ad069f830ed1. pdf . 2AKI N M. Charging and discharging li 2on battery by using t w oquadrant chopper circuit t opol ogies in s pace app licati ons C /Pr oceedings of 3rd I nternati onal Conference on Recent Advances in Space Technol o

15、gies (RAST 07 , Jun 14216, 2007,Istanbul,Turkey .Piscata way, NJ, US A:I EEE,2007:4882490.3I N OUE S, AK AGI H. A B i 2D irecti onal DC /DCConverter foran Energy St orage Syste m C /Proceedings of 22nd Annual I EEE App lied Power Electr onics (APEC 07 , Feb 252M ar 1, 2007, US A. Piscata way, NJ,.,

16、DC /DC 电路原理和控制策略 J .电工技术学 报 , 2006, 21(10 :31237.5肖华锋 , 谢少军 . 一端稳压一端稳流型软开关双向 DC /DC变换器 ( 设计原则和实验研究 J .电工技术学 报 , 2006, 21(11 :34239. 冯晶晶 (19842 , 女 , 硕士研究生 , 主要研究方向为功率电 子变换技术 。A Study on Control Strategy of Charge and D ischarge Managerof Hi gh Power L ithi u m 2I on BatteryFENG J i n gji n g, X I AO

17、 Huafeng, X I E Shaojun(Nanjing University of Aer onautics &A str onautics, Nanjing 210016, China Abstract:The p rinci p le of charge and discharge manager of L ithium 2I on battery is analyzed, and a con 2tr ol strategy t o realize the aut omatic changeover of charging and discharging according

18、 t o the conditi on of DC bus voltage and battery voltage is studied . The core of the contr ol strategy is voltage stabilizing at one ter m inal and current regulating with voltage li m iting at the other ter m inal . The CAN bus is used f or data transfer be 2t w een the manager and battery manage ment contr oller and bet w een the manger and LCD. Finally, a digitally contr olled bi 2directi onal DC /DCconv