基于boost-buck的锂电池组均衡电路设计

1、毕业论文题目： 基于boost-buck的锂电 池组均衡电路设计 学 生 姓 名： 学 号： 系 别： 专 业 班 级： 指导教师姓名及职称： 起 止 时 间: 年 月 年 月26第一章绪论1.1研究背景和意义人口的增长,经济的发展,人门对生活水平的F1益追求,这些都需要源源不断的能源供给,过去我们全球都依赖于石油资源,现今石油资源日益枯竭,而且随着使用石油能源相伴而生的环境污染问题无时无刻不在困扰着我们。面对现实,世界各国政府都有一个共同认识,我们必须节能减排,并在此基础上大力发展新能源技术,寻求技术突破,实现自我救赎。 电能使用方便、无污染、易获取、易转化,唯一不足就是难以储存。正是由于电

2、无法大规模的储存,电池储存技术的落后,使得我们只能产多少用多少,供给和需求的对接问题始终也很难得到妥善解决,不仅制约了我们的生产,还制约了我们的生活,更使得石油能源面临枯竭的危险。 目前,使用的便携存储电量的技术主要有干电池和二次电池常用的便携性二次电池有铅酸蓄电池、镜镉电池、镇氧电池、锂离子电池1。锂离子电池以工作电压高、能量密度高、功率密度大、无记忆效应、自放电率低、使用寿命长、无环境污染、安全性好等不可比拟的优点成为现在二次电池发展的主流2,3】。但是,目前的锂离子电池制作水平,单体电池还是以低电压、小容量电池为主,在某些要求中高电压、中大容量的场合则无法满足要求4,5】。为了在更高电压

3、、大功率的应用场合使用电能,一般釆用将多节锂离子电池串联的方法来达到目的。但是在实际的使用过程中,由于各卑体电池往往存在一定的差异,很难做到完全均一的充放电,电池组内很容易出现单体过充或者过放的现象,时间长了会造成单体电池性能的恶化,从而导致整个电池组无正常工作甚至报废【2。由此,便引出了本设计所要研究的锂离子电池均衡管理技术,由于被动均衡管理技术造成能源浪费以及发热现象严重,所以本设计仅研究主动均衡管理技术。1.2动力电池组均衡技术的研究现状 在过去的几十年里，由锂离子动力电池组提供电源的均衡控制电路已被关注。目前，国内外的研究更是如雨后春笋般涌现。通常情况下，在均衡过程中能量消耗情况可以作

4、为均衡控制电路的一种分类原则，因此可分为两大类：能量耗散型与能量非耗散型16。图 1-1 电阻分流式均衡1.21能量耗散型能量耗散型如图 1-1 所示，是每节单体电池都并联一个放电分流电阻，由于电池的特性，高电压的电池放电电流大，低电压的电池放电电流小，这样就可以达到总体均衡效果，均衡工作一般伴随着充电过程而完成。这种均衡方式结构简单，可靠性强，适用于有能量补给充足的场合，一般应用在卫星电源上17。这种均衡电路也存在一些缺陷，即无论是充电状态还是放电状态，分流电阻都在消耗功率，存在着能量浪费和热量管理的问题，而且效率较低，分流电流也不可控制。1.22能量非耗散型 能量非耗散型是指将动力电池组中

5、单体电池多余的能量通过转移或者转换的方式输送到其它单体电池中，非耗散型均衡电路在均衡过程中的能耗相比较于能量耗散型来说是比较小的，但是这种类型的电路结构一般相对复杂21。下面将对这些具有代表性的均衡电路进行详细分析。（1）开关电容法 开关电容法均衡电路拓扑见图 1-2，在电池两端并联电容，通过控制开关阵列实现均衡。该种方法电路结构简单，没有电压传感器和电流传感器；控制方式简单，不必采用闭环控制方式；适用范围广，不需要做任何变化即可用于各种蓄电池，理论上可以扩展至任意节数的串联电池组；当串联电池组内各电池电压相等时，均衡过程可以自动结束。但是，当串联电池数增加时，开关阵列变得复杂，控制信号复杂；

6、均衡的能量只能在相邻的电池内转移，当高能量和低能量的电池相距较远时，能量需要经过多次转移才能到达需要的地方，导致均衡时间变长，效率降低；均衡是根据电池电压差来实现的，不能准确的反应电池的实际能量，当相邻电池的电压差较小时，均衡电流小，所需的均衡时间变长。所以，该种均衡电路拓扑不适用于动力锂离子电池组的均衡3, 4。 图 1-2 开关电容法均衡电路拓扑（2）双向 DC-DC 辅助电源法 双向 DC-DC 辅助电源法的均衡电路拓扑见图 1-3 ，该方法是通过开关网络、辅助电源、双向 DC-DC 网络实现的。工作过程为：采集网络采集各单体电池的电压信号送给控制模块，控制模块计算电池组各单体电池的能量

7、高低，对能量高的电池放电，能量低的电池充电。在充电过程中，对于能量过高的电池，选通对应开关，通过控制双向DC-DC 模块给能量过高的电池放电，放电的能量充进辅助电源里；对于能量过低的电池选通对应开关，进行充电。图 1-3 双向 DC-DC 辅助电源法均衡电路拓扑图 1-4 同轴多副边绕组变压器均衡电路拓扑 （3）同轴多副边绕组变压器均衡电路拓扑 同轴多副边绕组变压器均衡电路拓扑见图 1-4，该均衡电路拓扑中，变压器原边的两侧接电池组的两端，变压器的副边每个线圈接一个电池。在放电过程中，当检测到电池组内某个单体电池的能量过低，变压器原边的功率开关管导通，流过原边的电流增大，电池组放电，变压器储能

8、能量；当变压器原边的功率开关管关断时，储存在变压器中的能量通过副本绕组给单体电池充电，单体电池电压低的得到的能量高，从而实现电池组的均衡。该均衡电路要求变压器的副边线圈、漏感一致，对变压器的制作工艺要求高，现实中很难做到副边绕组一致；均衡电路只能对电压低的电池进行充电，对于在充电过程中电压过高的电池不能实现放电；均衡是基于电池电压的，对应电压平台稳定的锂离子电池，所需的均衡时间长，甚至出现过均衡的现象；对于串联电池组中电池数量多的应用中，功率开关管的耐压高。 （4） 一种基于 Buck-Boost 拓扑的均衡电路图 1-5 Buck-Boost 拓扑的均衡电路 一种基于 Buck-Boost

9、拓扑的均衡电路见图 1-5，该均衡电路在每个电池上并联一个均衡子电路，均衡子电路由一个功率开关管、二极管、储能电感组成，例如：均衡子电路由功率开关管 S1、二极管 D1、电感 L1组成。下面以均衡子电路 M1的工作过程说明均衡电路的工作原理。当电池 B1的能量过高时，控制电路控制开关管 S1导通，电池B1过 S1放电，给电感 L1充电，电感 L1储能能量，流过电感 L1的电流线性增加；当开关管 S1关断时，电感 L1上的电流通过二极管 D1续流，给电池 B2、B3.B充电。该均衡电只能在充电过程中对能量高的电池进行放电均衡；对于放电过程，该均衡电路不能对能量低的电池进行补充充电。而且电池 B1

10、的能量可以转移给 B2、B3.BN，减小能量高的电对其它电池的影响；但电池从 B2开始，能量只能转移给下标比自己小的电池，例如：B2的能量只能转移给 B1,B3的能量只能转移给 B2、B1，而 BN的能量可以转移给 BN-1、BN-2B2、B1。 1.3 本文研究内容 本文以动力电池组为研究对象，提出一种应用于电池组均衡技术的均衡电路拓扑。通过对均衡电路拓扑工作原理的研究分析，给出了电路参数设计的具体方法，据此设计了均衡电路的硬件电路和软件电路，并对均衡电路进行了实验验证。 第2章 均衡电路的研究与设计 在动力电池组的均衡技术中，均衡电路是基础，好的均衡电路是使用最少的元件实现均衡。本章从动力

11、电池的连接方式出发，根据常用的直流斩波电路，提出基于升降压电路的动力电池组均衡电路，分析均衡电路的工作原理和工作过程，为均衡电路硬件电路的设计提供理论依据。2.1.1 基于升降压电路的均衡电路 均衡的目的是实现电池组内各单体电池的能量均衡，对于目前主流能量非耗散的均衡方式，能量的转移是一种有效的均衡方式，将能量高的电池的能量转移到能量低的电池，从而实现能量的均衡。由于单体电池为直流电源，所以能量转移通常通过 DC-DC 变换器来实现。 DC-DC 变换器如图2.1图2.12.1.2Buck-Boost 变换器工作原理 Buck-Boost 变换器也叫做为降压-升压变换器，或者反号变换器。如图

12、2.2所示。 在上图中，当开关管 Tr开通时，很显然，电流 i 只会流过电感线圈 L，此时，电感 L开始储存电量。开关管 Tr断开的情况下，电流 iL则会慢慢变小，这个时候电感 L 会产生自感反电动式，即上负下正，二极管 D1开通，那么电阻 R 两端的输出电压为 VO，此时电容 C 开始存储电量，避免了 Tr导通时开始放电，放电这样可以保持 VO不变。由于电阻 R 两端的 VO正负性跟起初输入电压的正负性 VS正好相反所以称为反号型变换器。 2.3 均衡电路的工作原理 下面以2节电池组串联的电池组为例说明均衡电路的工作原理。 因为总均衡电路的工作方式和子均衡电路的工作方式完全一致,唯一不同的是

13、BUCK一BOOST电路的输入输出电压值不同。所以在此只介绍子均衡电路的工作原理。为阐述方便,本文只介绍电池组在衡流充电状态下或静置状态下的电池电压均衡。如图2.31所示,当电池Bl-Vave>=20mV时,功率MOSFET管Ql导感Ll从电池Bl汲取能量,电池Bl发出的电流，依如下通路流Bl+ ->F1 ->Q1-> LI->F3->Bl-。如图图2.31所示,当Q1关断时,电感Ll产生反电动势且维持续流,二极管导通,电感释放能量给B2转移能量,电流依次流过以下通路L1 -> F3 -> B2+->B2- ->F2->D2-&

14、gt;L1。图2.31 当V2-Vave>=20mV时电路工作原理如下功率MOSFET管Q2导通感 Ll从电池B2汲取能量,电池B2发出的电流，依如下通路流B2+ ->F2 ->L1-> Q2->F3->B2-。如图2.32所示,当Q2关断时,电感Ll产生反电动势且维持续流,二极管1N5822导通,电感释放能量给B1转移能量,电流依次流过以下通路L1->D1->F1->B1+ ->B1- ->F2->L1。图2.322.4 均衡电路参数计算 电路的开关管被激活时,Qn导通,电感L的电流Ion是线性上升,当Qn关断时,其峰值

15、电流为: Ion= 0 t DT (3-1) Ion=0 DTt T 开关管Qn导通时,电感从电池Bn汲取的平均电流Ion为:第3章 均衡电路硬件电路的设计 第二章对基于升降压电路的动力电池组均衡电路进行了详细的分析，要实现电池组的均衡功能，必须合理的设计硬件电路。动力电池组的均衡电路包括均衡子电路、控制电路、电池管理系统。均衡子电路由电感、MOS 管组成；控制电路要用于控制均衡子电路的 MOS 管的开通和关断，其核心部分是 MOS 管驱动电路；电池管理系统用于对电池组信号的采集分析，通过计算发出均衡指令。 压的正负性 VS正好相反所以称为反号型变换器。3.1 硬件电路的基本参数 3.1.1

16、单片机 由于所有的电都由动力电池组提供，所以要选用低功耗的单片机。TI公司的MSP430单片机是业内公认的低功耗的单片机，本设计所用MSP430F5529 USB Launch Pad开发板 ，具有多路PWM 输出IO口和I2C USCI模块，完全满足实验要求。 图3.1MSP430F5529 USB Launch Pad实物图3.1.2 电池组 本文所使用的动力电池为某公司生产的磷酸铁锂电池，下表为动力电池组基本参数，下面根据这些参数来分析均衡电路硬件电路的设计。电池类型标称电压最高电压最低电压额定容量组合方式磷酸铁锂3.7V4.2

17、V2.75V2200mAh5节并联后两节串联 3.2 MOSFET驱动电路 3.2.1 功率开关管的选择 根据430单片机输出的 PWM 的频率范围，选取开关管的工作频率为 20kHz。所以要求所选用的功率开关管具有较高的开关速度，开通和关断的延迟时间短，较低的导通电阻，价格成本等因素。本设计中选用MOSFET作为主功率开关管。开关管承受最高电压为ZOV,考虑裕量,选用60V以上耐压的管子。电感电流最大波动为2A,最大平均电流为1A。综合以上考虑,选择IR公司生产的IRF530N。 IRF530N 型的 N 沟道 MOS 管，该型号的 MOS 管具有以下几个方面的特点： 1）具有较高的开关速率

18、，开通延迟时间为 9.2ns，开通上升时间为 22ns，关断延迟时间为 35ns，关断下降时间为 25ns； 2）具有较低的导通阻抗，导通阻抗为 90m； 3）开启电压的最小值为 2V，最大值为 4V，栅源极的耐压为±20V； 4）漏源极额定导通电流为 17A，漏源极的最大耐压为 100V； 5）工作温度范围较宽，为-55到 175。 3.2.2功率开关管的驱动电路 动力电池组均衡电路功率MOSFET的驱动是本设计的难点。所有的MOSFET和电池组间是非隔离的,都有很高的共模电压,而且每个MOSFET的电位不相等,因此,不能采用常用的方法将所有MOSFET的源极共电位,这样会造成短路

19、。 因此选用IR2118,IR2118是美国IR公司专为驱动单个MoSFET或IGBT而设计的栅极驱动器，它采用高压集成电路技术和无闩锁CMOs技术，并采用双列直插式封装，可用于工作母线电压高达600V的系统中。其输人与标准的CMOs电平兼容，输出驱动特性可满足交叉导通时间最短的大电流驱动输出级的设计要求。其悬浮通道与自举技术的应用使其可直接用来驱动一个工作于母线电压高达600V的、在高边或低端工作的N沟道MOSFET或IGBT。图3.1为其典型工作电路。图3.2Msp430f5529单片机发出的PWM波的电平为3.3V,达不到IR2117的驱动电平10V，所以要进行电平转换。如下图实现3.3

20、V电平转换为12V。图3.3图 3-4 实验测得电平转换驱动波形 图 3-5 IR2118 PWM波形发生电路图 3-6 实验测得IR2118 PWM波形发生电路3.4电感设计 根据式(3-l),取Vn=4.2V, D=0.3,T=50us,电感电流Ion=1A,求得L=60uH。由黄白环绕制。3.5 SMBus通信模块电路设计 系统管理总线(SMBus, System Management Bus)是两线总线,由串行数据线(SDA)和串行时钟线(SCL)构成,数据传输速率为100kbps。SMBus接口在系统正常操作期间用于实现单片机msp430f5529与bq20Z45芯片之间的通信。3.

21、6系统供电和电池单体电压检测模块设计 由于硬件电路中430单片机的供电电压是+3.3V，三极管8050和 MOS 管驱动芯片IR2118的供电电压是+12V，所以需设计+3.3V 和+12V 电源。 3.61 12V供电设计 两节电池组的电压为5.68.4V所以要进行升压达到12V，本设计采用b6284q进行升压，电路原理图如下图3.63.62 3.3V供电设计 3.3V电源采用AMS117芯片进行降压得到。AMS117是一个正向低压降稳压器，在1A电流下压降为1.2V。AMS117内部集成真实的过热保护各限流电路，是电池供电和便携式计算机的最佳选择。下图是其典型应用的电路图图3.73.63电

22、池单体电压检测模块锂离子电池组的均衡管理的前提是要准确检测电池组中.体电池的电压,然后才能在此基础上进行有效均衡。然而电池组中单体电压的检测,由于各个单体电池是串联使用,因此电池两端存在共模电压,所以不能采用直接对电池电压进行采样的方法,而是需要采用一些其他的技术手段才可以检测。目前锂离子电池组单体电压检测的方法主要有:差模电压测量和共模电压测量。共模测量是相对同一参考点,用精密电阻等比例衰减测量各点电压,然后依次相减得到各节电池电压。差模测量是通过一些 关电路选通单节电池进行直接测量。目前市场上专用于锂电池组电压检测的芯片比较常用的有凌特公司的LTC系列芯片和TI公司的bq系列芯片。由于本设

23、计只有两节锂电池，所以采用TI公司的bq20Z45芯片。bq20Z45芯片最多可测4节电池的电压，测量精度可以达到1mV。完全满足本设计的需要。第4章 均衡控制策略的研究与设计 4.1 均衡控制策略 4.1.1 以电压为基准的均衡控制策略 均衡主要目的是使各单体电池的SOC均衡,而铿离子电池的SOC的判断主要是根据其电压来判断的,因此目前均衡都是针对电池组的电压均衡。然而SOC和池电压的对应关系不是简单不变的,会随着电池内阻的变化发生改变。但是单体电池总是在4.1SV和2.7V之间进行循环,因此无论怎么变化,SOC的100%状态和O%状态总是对应的,即单体电池达到4.1SV认为SOC状态为10

24、0%,而降到2.7V时,认为SOC为O%。因此对应电池组的均衡通过100%状态和O%状态判断比较精确,这就是很多均衡方法采用的只有充电均衡的原因。而那些采用动态均衡的方法,在电池组工作过程中始终保证各单体电池电压的一致性则会导致均衡过程中的“无效动作”。这是因为在电池初期,电压均衡和SOC均衡差距不大。而在循环后期,由于某些单体电池的内阻发生了较大的变化,从而使得电压均衡与SOC均衡的差别很大4.1.2 以 SOC 为基准的控制策略 相同容量的电池，SOC 相同的电池能量也相同。以 SOC 为基准的控制策略的基础是对 SOC 的准确估算，目前 SOC 估算的方法主要有放电实验法、开路电压法、安

25、时计量法、内阻法、线性模型法、神经网络法、卡尔曼滤波法等6。但由于 SOC 估算的精度较低，过度的依赖 SOC 反而会导致不必要的均衡动作的发生。4.13均衡策略制定一般来说,锂离子电池组的不均衡情况分为以下三类:(1)绝大部分单体电池是均衡的,个别的单体电压太高。(2)绝大部分单体电池是均衡的,个别的单体电池电压太低。(3)一部分单体电池的电压比平均值稍高,另外一部分比平均值稍低。目前主要有以下两种控制策略进行电池组的均衡:1.最大值法 Vmax Vmin>时,均衡模块将组中最高电压的单体电池对应的PWM开启,直到Vmax Vmin为止。其中,Vmax为电池组中单体电压最大值;Vmin

26、为电池组中单体电压最小值;设定的均衡启动电压阈值。这均衡策略主要适用于绝大部分单体电池是均衡的,个别的单体电压太高或者个别的单体电池电压太低的情况。优点是能量消耗相对较小,缺点是仅对其中一只单体进行操作,需要的均衡时间较长,均衡效率较低。2.平均值法 当Vmax Vave>时,对于电压高于电池池的V的单体电池对应的PWM开启,直到符合Vmax Vave为止。此种均衡策略主要适用于一部分单体电池的电压比平均值稍高,另外一部分电压比平均值稍低的情况。 上述两种电池组均衡控制策略有其自身的优势,由于本设计是基于两节锂电池，因此本文采用平均值法。当电池电压满足Vmax Vave>的前提下,

27、对符合的单体电池对应的PWM开启,直到Vmax Vave为止。均衡电压阀值设为15mv。4.14均衡模块软件设计 本系统的均衡模块软件流程图如图2-9所示。首先读取每节单体电池的电压Vi、平均电压值Vave。,然后判断电池电压满足Vi Vave>的前提下,对符合Vi-Vave > 的单体电池对应的PWM开启,直到Vi Vave为止。从而控制芯片打开相应的PWM来 开通其能量转移通道,这样能够提高能量的转移率。第五章 实验结果分析 经过1小时10分钟均衡之后的电池组各单体电池电压值,经过均衡之后,电池组内单体电池最大压差Vmax=108mV,平均电压Vaverage=3795mV,显

28、然各单体电池电压正在往均值靠拢。均衡前各个电池之间的电压高低不齐,均衡之后各个电池的电压基本趋于一致,由此可见,本课题均衡管理系统设计成功,具有良好均衡效果。参考文献1杨会州.升降压电路在动力电池组均衡技术中的应用研究D.华南理工大学,2013.2周朝阳.基于FPGA&NIOS11的电池充电均衡系统研究D.西南交通大学,2008.3杜石嘉.小型锂离子电池主动均衡管理技术研究D.武汉理工大学,2013.4王磊.深度混合动力汽车电池组的主动均衡与保护策略研究D.上海交通大学,2012.5蒋新华.锂离子电池组管理系统研究D.中国科学院研究生院,2007.6陈益广，唐林，沈勇环.基于Boost

29、-Buck电路的锂离子电池组均衡充电方法J.电力系统及其自动化学报,2014。7吴铁洲,陈学广,张杰,等.HEV锂离子串联屯池组混合均衡策略研究J.华中科技人学学报,2011(2):102-104.8黎林纯电动汽车用锂电池管理系统的研究D北京：北京交通大学，2009，3 9孙飞.面向Plug-In电动汽车的锂离子电池管理系统技术研究D.武汉理工大学,2012.10何仕品,朱建新.锂离子电池管理系统及其均衡模块的设计与研究J.汽车工程,2009(5):444-447.毕 业 论 文 开 题 报 告1本课题的研究意义 电能使用方便、无污染、易获取、易转化,唯一不足就是难以储存。正是由于电无法大规模

30、的储存,电池储存技术的落后,使得我们只能产多少用多少,供给和需求的对接问题始终也很难得到妥善解决。 而动力电池一般由多节较大容量单体电池串联而成，由于各单体电池在初始容量，自放电率，库伦效率等方面不完全相同，使得电池组各单体存在不一致现象，在经过多次充放电循环后还会扩大这种不一致性，导致电池整组的可用容量减小，电池利用率下降，严重时会影响电池组的使用寿命，甚至危及电动车辆的安全。采用电池均衡处理技术可解决充电状态容量/能量(C/E)失配，从而改进串联锂电池组的性能。均衡管理是动力电池管理系统（BMS）的核心内容之一。1.通过基于boost-buck锂电池均衡控制电路的设计可以使本人了解msp4

31、30单片机的各种功能与应用。2.本课题拟采用msp430单片机作为系统的主控芯片以加速完成作品。3.使用msp430f529的I2C实现与BQ20Z45的SMBUS通信读取电池组的电压，程序实时处理灵活度高。4.通过LM393和IR217 能成PWM驱动电路，实现锂电池的均衡功能。2本课题的基本内容本课题将主要进行以下内容的工作：1.单体电池组电压精确监测电路实现；2.boost-buck电池均衡单元模块研制，设计制作电池均衡单元模块；3.单片机控制程序的设计；4.电池均衡控制策略研究。毕 业 论 文 开 题 报 告3本课题的重点和难点本课题的重点：1.单体电池组电压精确监测电路实现；2.430单片机与各模块之间的协同工作；3.boost-buck锂电池均衡电路的设计与均衡策略；本课题的难点：4.电池组电压的准确读取；5.PWM波的处理；6.boost-buck锂电池均衡电路的电感设计。4论文提纲摘要第1部分 选题背景第2部分 方案论证第3部分 系统设计第4部分 系统调试与分析第5部分 总结 致谢 附录参考文献