多功能電池管理系統(tǒng)及其使用平臺(tái)

林思岐，姜久春，時(shí)瑋，張維戈，賈容達(dá)

（北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，北京100044）

為保證電動(dòng)汽車電池組動(dòng)力系統(tǒng)的安全性和可靠性，電池管理系統(tǒng)向著高精度高轉(zhuǎn)換速度、多測(cè)量通路、自帶電池均衡、模塊化等方向發(fā)展。然而，很少有文獻(xiàn)介紹測(cè)量并聯(lián)電池的電池管理系統(tǒng)。本文提出的電池管理系統(tǒng)，不僅具備一般電池管理系統(tǒng)的功能，同時(shí)還能夠測(cè)量各個(gè)并聯(lián)電池的支路電流及各電池的SOC。

文章將首先介紹所開發(fā)的電池管理，描述其功能，并側(cè)重于并聯(lián)支路電流的測(cè)量。然后介紹該電池管理在并聯(lián)電池組特性研究中的作用和性能驗(yàn)證。最后介紹低成本的電池壽命測(cè)試平臺(tái)，并驗(yàn)證該電池管理的可靠性。

1 電池管理基本結(jié)構(gòu)

電池管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如下圖1所示。電池管理系統(tǒng)主要由CPU、電流單元、電壓單元、溫度單元和通訊單元、片外鐵電存儲(chǔ)器單元、數(shù)字量控制單元組成。CPU采用的是Freescale的16位MCU。硬件上各功能模塊與CPU電氣隔離。

1.1 電流單元

所開發(fā)的電池管理的特點(diǎn)是可以準(zhǔn)確測(cè)量并聯(lián)電池組里單體電池的支路電流，并計(jì)算電池當(dāng)前的SOC。

在硬件電路上，使用的測(cè)試芯片是單相雙向功率/能量集成芯片CS5460，6路并行方式，每路測(cè)試通道使用一個(gè)CS5460，允許同時(shí)測(cè)量6個(gè)并聯(lián)電池的電流。此外，電池管理給定CS5460的電壓輸入為恒定的電壓值，故計(jì)算得到的能量值與安時(shí)積分容量等價(jià)，因此可以測(cè)出電池當(dāng)前的SOC值。

如果采用普通的BMS測(cè)量方法（即采用分流器對(duì)電流進(jìn)行采集），電池間連接方式如下圖2。虛線框內(nèi)的V1為電池1的內(nèi)電勢(shì)，r1為電池1的內(nèi)阻，整個(gè)框代表一個(gè)電池；s1為分流器的電阻。從圖中可以看出，引入的分流器會(huì)對(duì)電流在并聯(lián)電池間的分配造成影響，所測(cè)量數(shù)據(jù)不能真實(shí)反映并聯(lián)電池間電流的分配，引入了額外的影響因素，對(duì)研究造成影響。

電池管理系統(tǒng)中用霍爾元件采樣并聯(lián)電池的電流?；魻栐恍璐氩⒙?lián)電池回路中，僅需將通過電流的導(dǎo)線穿過霍爾元件中心即可，因此可消除引入分流器帶來的影響?？梢杂靡粋€(gè)簡單的方法對(duì)比不同電流通道間的誤差：將通過同樣電流的導(dǎo)線穿過6個(gè)通道對(duì)應(yīng)的霍爾傳感器，比較不同通道的電流測(cè)量值。結(jié)果驗(yàn)證，不同通道測(cè)出的電流值是一致的，分辨率為0.1 A。同樣，使用這種方法，6個(gè)電流通道接入同樣的電流，經(jīng)過同樣時(shí)間的安時(shí)積分（如1 h），測(cè)量到通道間的安時(shí)容量積分誤差在1%以內(nèi)。

基于霍爾元件的高成本，若將電池管理應(yīng)用在其他非并聯(lián)測(cè)試的情況時(shí)，可以采用分流器測(cè)量。因此，在硬件上，同時(shí)引入6路分流器的通道，與6路霍爾元件一起，復(fù)用CS5460。硬件上設(shè)置了功能選擇開關(guān)，可以通過開關(guān)決定用霍爾元件或是分流器測(cè)量電流及SOC的計(jì)算。

1.2 電壓單元

電壓測(cè)量通道為6個(gè)串行的通道，電壓檢測(cè)電路如圖3所示。

B1、B2、B3為所需測(cè)量的單體電池；R1～R8為精密的分壓電阻，將電池電壓轉(zhuǎn)換為AD芯片測(cè)量范圍內(nèi)的值；S1～S3為光繼電器（即光MOS），CPU控制開關(guān)間的切換，實(shí)現(xiàn)多通道共用AD芯片。注意不允許兩個(gè)光MOS同時(shí)導(dǎo)通，否則會(huì)導(dǎo)致不同電池間的并聯(lián)。為了簡便示意，圖中僅給出3通道的檢測(cè)電路。

1.3 溫度單元

溫度測(cè)量采用的是1-w ire總線通訊的溫度傳感器18B20，最小分辨率是0.062 5℃，溫度測(cè)量范圍是－55～+125℃，滿足一般性應(yīng)用中的測(cè)量要求。

溫度單元分為兩部分：一是測(cè)量電池的溫度，二是測(cè)量電路板的溫度。測(cè)量電池的溫度采用一根1-w ire總線上懸掛多個(gè)18B20的模式，個(gè)數(shù)根據(jù)要求的溫度采集點(diǎn)個(gè)數(shù)而定。測(cè)量電池管理系統(tǒng)上的溫度用一個(gè)18B20，單獨(dú)用一根總線，該溫度值用于校正測(cè)量電壓值隨電路板環(huán)境溫度的變化。

1.4 通訊單元

在電池管理系統(tǒng)中，CAN通訊功能包括：①接收外部寫入的電池實(shí)際容量和電池當(dāng)前SOC值；②對(duì)外發(fā)送電池電壓、電流、溫度、SOC以及l(fā)ife信號(hào)。電池管理通過CAN總線與監(jiān)控上位機(jī)通訊實(shí)時(shí)通訊，并可將電池?cái)?shù)據(jù)發(fā)送到單體充放電機(jī)，用于控制充放電機(jī)的運(yùn)行，具體的應(yīng)用在本文第6部分中給出。采用CAN2.0B擴(kuò)展幀的格式，通訊協(xié)議為國際公認(rèn)的J1939標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，解決了優(yōu)先權(quán)和共享的問題，且具有靈活性、可擴(kuò)展性和獨(dú)立性[1]。

電池管理系統(tǒng)的RS-232通訊可用于寫入電壓通道的零點(diǎn)和增益、電池實(shí)際容量和SOC，用于讀取電池信息。RS232只有在接收到外部設(shè)備（如手持設(shè)備）的命令時(shí)，才會(huì)返回?cái)?shù)據(jù)。

1.5 數(shù)字信號(hào)單元

數(shù)字信號(hào)單元包括數(shù)字信號(hào)的輸入檢測(cè)和輸出控制兩部分。

CPU判斷數(shù)字輸入的高/低電平，執(zhí)行對(duì)應(yīng)的命令。如電流單元里，輸入高電平代表采用霍爾傳感器測(cè)量電流，輸入低電平代表采用分流器測(cè)量電流。CPU的數(shù)字信號(hào)輸出為一個(gè)高/低電平，該信號(hào)通過驅(qū)動(dòng)MOSFET，達(dá)到對(duì)外部器件的控制，如電池過壓、過流等故障信號(hào)的報(bào)警。電路中保留有額外的2路輸入和2路輸出，以作備用。

2 電池管理軟件結(jié)構(gòu)

電池管理的軟件結(jié)構(gòu)，根據(jù)系統(tǒng)整體功能，同時(shí)為了增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性和可讀性，整個(gè)應(yīng)用程序采用模塊化和結(jié)構(gòu)化思想。

主程序的整體設(shè)計(jì)由8部分組成：系統(tǒng)初始化、看門狗、電流處理、電壓處理、溫度處理、數(shù)字信號(hào)處理、CAN通訊、232通訊。在一個(gè)主循環(huán)里，依次檢測(cè)6個(gè)AD是否轉(zhuǎn)換電流完畢，轉(zhuǎn)換完畢則進(jìn)行相關(guān)處理；電壓的讀取則是一個(gè)循環(huán)檢測(cè)一個(gè)電壓，6個(gè)通道輪循。具體的流程如圖4所示。

3 電壓測(cè)量電路的校準(zhǔn)

3.1 校準(zhǔn)原理

電池管理的CPU從AD中所讀出的AD值，需要經(jīng)過一定換算后才能代表實(shí)際電壓值。測(cè)量電路的線性度和偏移量決定了測(cè)量的準(zhǔn)確性。電池管理中采用的校準(zhǔn)方法為二次插值法，計(jì)算公式：

式中：Actual1和Actual2為兩個(gè)實(shí)際的電壓值，可通過萬用表測(cè)得；AD1和AD2分別是Actual1和Actual2對(duì)應(yīng)的AD值，通過上面的公式可得通道的零點(diǎn)值(Offset)和增益值(Gain)。

由于電壓測(cè)量電路中不同通道間分壓電阻以及光MOS的差異，會(huì)導(dǎo)致不同通道的零點(diǎn)增益值不同，故所有通道都需要進(jìn)行校準(zhǔn)。

3.2 校準(zhǔn)方法

若是將BMS量產(chǎn)化，并按上述原理逐一校正電池管理板的眾多通道，則會(huì)耗費(fèi)大量的人力[2]。因此可以開發(fā)一套專門用于BMS電壓校準(zhǔn)的電路板，以下簡稱校準(zhǔn)板。

校準(zhǔn)板輸入兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的電壓源(即Actual1和Actual2)，繼電器序列電路將標(biāo)準(zhǔn)電壓源切換到不同的BMS電壓測(cè)量通道，與BMS間為RS-232通訊，電路板上設(shè)置有鍵盤及液晶顯示。校準(zhǔn)板的結(jié)構(gòu)簡圖如圖5所示。

校準(zhǔn)板通過鍵盤輸入實(shí)際電壓Actual1和Actual2值，并給出校準(zhǔn)開始命令。CPU通過控制繼電器，切換Actual1和Actual2電壓值；通過控制繼電器序列，將電壓V+、V-給BMS的各個(gè)電壓通道。校準(zhǔn)板以RS-232通訊方式獲得BMS各通道的AD1和AD2值，從而計(jì)算出各通道的零點(diǎn)和增益，并通過RS-232通訊將零點(diǎn)增益值返回給BMS。液晶界面顯示鍵盤操作設(shè)置以及校準(zhǔn)過程和結(jié)果。

4 并聯(lián)電池組研究中的應(yīng)用

鋰電池放電時(shí)，電池電壓會(huì)逐漸降低，當(dāng)電池到達(dá)放電終止電壓，再繼續(xù)對(duì)電池放電，電池將會(huì)受到無法恢復(fù)的破壞[3]。對(duì)于串聯(lián)的電池組，可通過電池間的電壓差異判斷電池的不均衡度。然而這一方法不適用于并聯(lián)電池組。并聯(lián)電池之間由于電池兩端的電壓保持一致，具有自均衡的能力。這種自均衡能力對(duì)電池產(chǎn)生的影響我們卻不清楚。我們從并聯(lián)電池的支路電流以及各并聯(lián)電池SOC的角度來分析。

所開發(fā)的電池管理已經(jīng)應(yīng)用于并聯(lián)電池性能研究的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中并聯(lián)電池支路電流用霍爾傳感器測(cè)量。

實(shí)驗(yàn)以磷酸鐵鋰電池為研究對(duì)象，進(jìn)行了不同并聯(lián)數(shù)量和不同充放電倍率下的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)機(jī)制包括單體電池的SOC-OCV曲線測(cè)試、HPPC法內(nèi)阻測(cè)試、不同倍率下的充放電曲線測(cè)試、DST實(shí)驗(yàn)，以及4個(gè)并聯(lián)電池的不同倍率下充放電過程中的電流分配曲線、2個(gè)并聯(lián)電池的充放電過程中的電流分配曲線、4個(gè)并聯(lián)電池DST實(shí)驗(yàn)。由于磷酸鐵鋰電池的電壓平臺(tái)區(qū)間很大，SOC估算誤差大，實(shí)驗(yàn)中采用文獻(xiàn)[4]中的方法校正。

為了說明電池管理系統(tǒng)的性能，這里給出實(shí)驗(yàn)應(yīng)用中測(cè)試出來的其中一些曲線。為檢測(cè)在電流變化速度相對(duì)較快的情況下BMS測(cè)試的準(zhǔn)確度，圖6為電池標(biāo)準(zhǔn)DST工況360 s放電曲線。圖7為4并的DST工況測(cè)試曲線，該放電曲線選取在電池SOC中間區(qū)域，此時(shí)4個(gè)并聯(lián)的電池間電流基本保持一致，從圖中的240 s附近放大圖可以看出，四個(gè)并聯(lián)的電池間支路電流相差不到2 A，且電流變化點(diǎn)一致。從這兩個(gè)圖的比對(duì)中看出，電流的變化點(diǎn)捕捉非常準(zhǔn)確，電池管理板中采用霍爾傳感器測(cè)量電流能夠精確跟隨設(shè)定的曲線。

圖8為4個(gè)并聯(lián)的LiFePO4電池1 C倍率下不平衡電流曲線，可以看出充電末端不平衡電流比較顯著，4#電池已經(jīng)達(dá)到了1.5 C的充電倍率。我們還進(jìn)行了1.5 C倍率下的4并充放電實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)即使增大充放電倍率，3#和4#電池的末端電流差異沒有顯著增大，是因?yàn)?#和2#的作用，多個(gè)電池并聯(lián)的自均流特性有助于并聯(lián)電池的一致性。

為分析不同數(shù)量并聯(lián)電池對(duì)末端電流不平衡度的影響，我們還做了1 C倍率1#-2#，1#-4#，2#-3#的兩個(gè)電池并聯(lián)測(cè)試。1#-2#和2#-3#并聯(lián)的不平衡電流較小，而1#-4#的不平衡電流較大，圖9給出1#-4#電池不平衡電流曲線?？梢钥闯鰣D9中末端電流差異較大，且不平衡度大于4并的圖8所示。驗(yàn)證了多個(gè)電池并聯(lián)的自均流特性有助于并聯(lián)電池的一致性的結(jié)論。

5 壽命測(cè)試系統(tǒng)中的應(yīng)用

目前有很多實(shí)驗(yàn)室對(duì)電池壽命進(jìn)行研究[5-7]，但是電池壽命的研究成本高，如果都采用高精度的電池測(cè)試儀，則實(shí)驗(yàn)成本是一個(gè)重要制約因素。本文提出的低成本電池壽命測(cè)試平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖10所示。

系統(tǒng)平臺(tái)主要包括：6臺(tái)充放電機(jī)（PCS）、1臺(tái)PC機(jī)、6個(gè)分流器、6個(gè)待測(cè)電池、1臺(tái)高低溫箱、1個(gè)電池管理系統(tǒng)。PCS同一時(shí)刻只能給一個(gè)電池充放電；電池管理采集電池的外電壓和充放電電流，并通過CAN通訊將檢測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送給PC機(jī)和PCS；PC機(jī)用于記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；電池放置在高低溫箱內(nèi)，高低溫箱溫度可控。這里不研究并聯(lián)的特性，因此電池管理用分流器測(cè)量電流。

該壽命測(cè)試平臺(tái)可用于研究充放電電流、溫度、電池使用SOC區(qū)間對(duì)電池壽命的影響。平臺(tái)的特點(diǎn)在于，使用了六臺(tái)低功率單體充放電機(jī)（PCS），這些PCS根據(jù)電池管理所測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)電池充放電進(jìn)行控制，彌補(bǔ)了普通低成本PCS測(cè)量不準(zhǔn)確、精度不符合電池實(shí)驗(yàn)要求的缺陷。

截至目前該電池壽命測(cè)試平臺(tái)已經(jīng)完成了1 C充放電循環(huán)400次，2 C充放電循環(huán)550次，3 C充放電循環(huán)800次，4 C循環(huán)850次，5 C循環(huán)850次。其中，每50次循環(huán)后進(jìn)行一次基線實(shí)驗(yàn)，方法參見USABC電池測(cè)試手冊(cè)。電池管理板從投入實(shí)驗(yàn)到現(xiàn)在，未出現(xiàn)任何故障，且能夠穩(wěn)定運(yùn)行，驗(yàn)證了電池管理測(cè)試平臺(tái)的穩(wěn)定性。

6 總結(jié)

本文介紹了所開發(fā)的一套電池管理板，并突出了其并聯(lián)電流測(cè)量的特點(diǎn)。同時(shí)給出了兩個(gè)應(yīng)用該電池測(cè)試板的實(shí)驗(yàn)實(shí)例——并聯(lián)電池特性實(shí)驗(yàn)和電池壽命測(cè)試平臺(tái)。并聯(lián)的實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證了電池管理板各模塊的功能，特別是霍爾元件測(cè)量電流的性能。電池壽命測(cè)試平臺(tái)上電池管理板的長時(shí)間無故障使用，驗(yàn)證了該電池管理的穩(wěn)定性。

[1] 鐘勇,鐘志華,余群明.電動(dòng)汽車CAN總線通用協(xié)議的應(yīng)用研究[J].Automotive Engineering,2006,28(5):421-426.

[2] 朱峰.蓄電池管理系統(tǒng)批量生產(chǎn)用校準(zhǔn)系統(tǒng)的研制[D].北京:北京交通大學(xué),2009.

[3] 張賓,郭連兌，崔忠彬，等.電動(dòng)汽車用動(dòng)力鋰離子電池的電壓特性[J].電池工業(yè)，2009,14(6):398-403.

[4] 時(shí)瑋,姜久春,李索宇，等.磷酸鐵鋰電池SOC估算方法研究[J].電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào),2010,24(8):769-774.

[5] DUBARRY M,LIAW B Y.Identify capacity fadingmechanism in a commercial LiFePO4cell[J].Journal of Power Sources,2009,194:541-549.

[6] 孟祥峰.電動(dòng)汽車動(dòng)力電池組壽命模型與性能評(píng)價(jià)研究[D].北京:北京理工大學(xué),2008.

[7] CHRISTOPHERSEN JP,WRIGHT R B,MOTLOCH C G.Power fade and capacity fade resulting from cycle-life testing of advanced technology development program lithium-ion batteries[J].Journal of Power Sources,2003,119-121:865-869.