基于bq78PL116的雙向動態(tài)無損均衡管理系統(tǒng)設計

耿 楠

(安徽機電職業(yè)技術學院電氣工程系， 安徽 蕪湖 241000)

0 前 言

目前鋰離子電池作為便攜電源的應用越來越廣泛，多個鋰電池單體通過一定的串、并聯的方式組成高電壓、大電流的電池組，就可以應用于電壓高、容量大的場合。實際應用中單體鋰電池無法做到完全一致，這種不一致性會導致電池組中部分電池單體在使用過程中出現過充或過放的現象，長期的過充過放不僅使電池組的容量不能得到充分高效利用，嚴重時甚至會引起電池爆炸，縮短電池的使用壽命[1-2]。為了提高電池組能量的實際效能和保證電池的安全使用，對電池組內各單體電池采取有效的均衡措施非常必要。

對均衡控制策略和均衡電路拓撲結構的研究是電池組均衡技術兩大方向[ 3]。科學的均衡控制策略首先要合理選擇均衡變量，采用較多的有電池電壓和荷電狀態(tài)(SOC)等變量，由于鋰電池充放電時的非線性和SOC值實時估算精度較低的原因，應用中很少使用。均衡模塊主電路結構從能量損耗的角度分為耗散型和非耗散型，熱點集中在對非耗散型均衡電路的研究，包括變換器型、隔離式變壓型、電容型等多種拓撲結構。

本文選取擱置階段的均衡變量為單體電池開路電壓，充放電階段的均衡變量為單體電池工作電壓，提出基于儲能電感型電路拓撲結構的雙向動態(tài)無損均衡系統(tǒng)設計方案，采用可擴展電池管理控制器bq78PL116芯片制作了實驗樣機。結果表明該方案能高效地完成電池組的均衡管理任務。

1 系統(tǒng)總體結構

儲能電感型雙向動態(tài)無損均衡系統(tǒng)工作原理如下：電池管理控制器首先采集電池組內每節(jié)單體電池的電壓，然后對采集來的電壓數據加以處理，根據處理結果和所采取的控制策略，輸出脈沖信號控制與相應單體電池連接的電力開關管的通斷，從而以控制的差異接通和斷開相應的充電或放電電路，實現能量的快速轉移，有效降低電池組中相應單體電池的電壓及SOC，達到電池均衡的目的[4]。

均衡管理系統(tǒng)硬件結構框圖如圖1所示，其硬件電路大體可分為電池管理控制器模塊、擴展模塊、電感型雙向無損均衡模塊、單體電池電壓檢測模塊、電流檢測模塊、安全保護模塊和SMbus通信電路等模塊。

圖1 均衡系統(tǒng)硬件結構框圖

2 電感型雙向無損均衡模塊設計

電感型雙向無損均衡模塊主電路結構如圖2所示，模塊包括5個子電路(圖中虛線框中部分)，可以完成6節(jié)電池單體的均衡功能[ 5]。子電路以Buck-Boost電路為基礎，結構簡單且擴展方便，在電池組單體節(jié)數發(fā)生變化時，略加改動便能滿足要求。由于電池組串聯節(jié)數過多會導致均衡時間增加，可將電池組分成若干個小組，并將一個小組看作一節(jié)單體電池，采用同樣的拓撲結構來實現均衡，以縮短電池組均衡時間。若電池組數量較多時，還可采取再添加上層均衡模塊的辦法來實現。

2.1 均衡子電路結構

由圖2可看到，Cell1和Cell2為相鄰的2節(jié)電池，由與其連接的一個子電路實現均衡。L1為儲能電感，R1為消磁電阻，Q1_a是N溝道電力場效應管，跨接在Cell2兩端，Q1_b是P 溝道電力場效應管，跨接在Cell1兩端。兩只電力場效應管相互配合，控制相鄰2節(jié)電池均衡充電回路的通斷；D1_a和D1 _b是2個電力場效應管的二極管，構成均衡放電回路。每個均衡子電路的工作不受干路電流的影響，因此可在電池組充電、放電或擱置等任意階段工作；另外均衡子電路中能量流動是雙向的，可以同時對電池組中多個相鄰的電池對進行充放電均衡，以便縮短均衡時間，提高均衡效率。

圖2 均衡模塊電路原理圖

2.2 均衡子電路工作模態(tài)分析

均衡電路的拓撲結構不制約均衡變量的選取[ 6]，以電池工作電壓E作為均衡變量，用Ei表示第i節(jié)電池的工作電壓。假設E1>E2，且電壓差值超過電池組不一致性設定值，要求采取均衡措施，均衡過程包括Cell1放電和Cell2充電和電感消磁3個工作模態(tài)。

圖3 均衡子電路工作過程

(1)Cell1放電階段。Cell1放電時，控制器輸出驅動信號，使電力場效應管管Q1_b導通，Q1_b、L1和Cell1構成放電回路，放電電流方向如圖3( a)所示。此時電感L1將電能轉換為磁能并儲存起來，電感兩端電位b節(jié)點處為正，a節(jié)點處為負，放電電流從零開始逐漸增加到最大值。

(2)Cell2充電階段。電力場效應管Q1_b關斷后，儲存于電感中的磁能釋放，使電感中的電流仍維持原來方向，如圖3(b)所示。這一階段，電感兩端電位a節(jié)點處為正，b節(jié)點處為負，電感相當于一個電源給Cell2充電，充電回路由D1 _a、L1和Cell2構成，充電電流從放電階段的最大值開始逐漸減小，當充電電流減小到零時，充電階段才完成。

(3)L1消磁階段：在充電階段由于回路中續(xù)流二極管D1 _a存在導通壓降，以致充電結束時，雖然充電電流減小到零，儲能電感L1中仍有部分磁能未完全釋放而留有剩磁，為了保持電感的儲能作用，必須進行消磁處理，即通過增設消磁電阻R1，將電感存儲的剩余能量在電阻中消耗掉。這個過程中，續(xù)流二極管D1 _a反向截止，電力場效應管Q1_a可等效為它的輸出電容C1，電池Cell2也可等效為一個大電容C2，如圖3 (c)所示，消磁回路是由L1、R1、C1和C2等組成RLC衰減振蕩電路，能夠將電感L1中剩磁以諧振的方式快速消耗掉，使電感磁復位。

以上分析是E1>E2情況下的均衡子電路工作過程，控制連接于Cell1兩端的電力場效應管Q1_b導通，通過電感的中間作用將能量是從Cell1傳遞給Cell2；如果E2>E1，則控制與Cell2相連的電力場效應管Q1_a導通，電路的工作過程與以上分析相同，能量是從Cell2傳遞給Cell1。由上述均衡子電路工作狀態(tài)可見，該電路能夠高效實現相鄰單體間能量的雙向轉移。

2.3 均衡子模塊電路仿真

為檢驗均衡子模塊電路的工作效果，應用PSPICE軟件搭建該均衡子電路仿真模型[7]，如圖4所示。子電路中的電力場效應管采用Model Editor軟件建立，使用脈沖電壓源產生電力場效應管的控制信號，用恒壓源代替鋰離子電池，電路的阻抗由電阻R2和R3代替。

圖4 均衡子電路PSPICE 仿真模型

圖5 仿真波形

設定各元件參數如下：電力場效應管導通電阻為30 mΩ，體二極管導通壓降VD取 0.8 V，L取10 μH，消磁電阻R1取20kΩ，線路電阻R2和R3取20 mΩ，Cell1的電壓E1取3 V且認為在一次均衡過程中該值不變，Cell2的電壓E2取2.9 V。仿真分析類型選擇瞬態(tài)分析，設定運行時間為1ms，最大仿真步長1 μs。均衡工作周期取36 μs，占空比為50%的情況下，仿真波形如圖5所示，圖中自上而下分別為電力場效應管控制信號、電力場效應管漏極電壓和電感電流變化情況。

仿真波形顯示：在Cell1放電階段，Q1_b導通，電感電流由從零開始逐漸增大到最大值，電感儲存能量；Cell2充電階段，電感電流從最大值下降到0的過程中，電感釋放儲能；在L1消磁階段，電力場效應管漏極電壓會出現衰減震蕩，使電感磁復位。仿真的結果與以上對均衡子電路工作模態(tài)的工作原理分析相吻合。

3 均衡管理系統(tǒng)軟件設計

均衡管理系統(tǒng)的主控制器需要對電池組內每節(jié)單體電池的電壓、均衡充放電時的電流和電池溫度進行采集和處理，數據的容量大、傳輸快，同時還要具有多路控制電力場效應管的PWM信號。根據系統(tǒng)以上要求，選用美國德州儀器公司的可擴展電池管理控制器bq78PL116作為主控芯片，與雙電池監(jiān)控器bq76PL102級聯，擴展為可對6節(jié)鋰離子電池均衡的管理系統(tǒng)[8]。

圖6 均衡管理系統(tǒng)軟件設計整總體流程圖

圖7 均衡控制子程序流程圖

均衡管理系統(tǒng)軟件主要程序模塊有主程序和子程序，子程序又包括數據采集子程序、均衡控制子程序以及通信子程序，系統(tǒng)軟件設計總體流程如圖6所示。均衡管理系統(tǒng)加電后，首先系統(tǒng)初始化，接著對每個單體電池的工作電壓、電流及溫度信號進行采樣，并把采集的數據傳送到主控元件相應的內存中，再對數據進行處理，同時查詢上位機有無數據請求指令，有則傳送到相應的上位電池管理軟件。如滿足均衡條件并符合監(jiān)管系統(tǒng)的判斷結果，那么則操作均衡電路進行均衡處理，并進行數據檢測，否則直接返回參數檢測。在本均衡管理系統(tǒng)軟件中，均衡控制子程序是整個軟件系統(tǒng)的重心部分，均衡控制流程如圖7所示。首先讀取每節(jié)單體電池的電壓Ei、檢索出Emax(最大值)、Emin(最小值)，得出兩者之差ΔV，由此判斷電壓差值是否超過均衡啟動設定值Vset。如果大于Vset，則啟動均衡管理，電壓最高或最低的電池單體首先滿足條件，從而對高電壓電池實現順向均衡，對低電壓電池實行逆向均衡，如不滿足均衡條件則退出均衡處理子程序。

4 實驗分析

采用可擴展電池管理控制器bq78PL116制作了實驗樣機，電力開關管選擇仙童公司的FDD8424型N&P溝道電力場效應管，其他元件按以上參數選擇，并按上述均衡控制要求編寫相應程序，編譯并下載到主控芯片bq78PL116中。

實驗先以兩節(jié)電池為均衡對象，選擇兩塊電壓差為200 mV 的20Ah磷酸鐵鋰電池接入系統(tǒng)，利用示波器觀察均衡模塊電路工作情況，捕獲到電力場效應管漏源電壓和電感電流波形如圖8所示。由此可見，均衡子電路工作狀況能夠實現該系統(tǒng)應有的功能。

圖8 均衡模塊電路工作波形

隨后取6節(jié)20Ah 磷酸鐵鋰電池組成電池組進行擱置均衡試驗，分別記錄均衡前的電池電壓值和均衡后的電池電壓值(表1)，并對這兩組電壓值進行對比，結果是均衡前電池組內最大電壓差為119 mV，均衡后降為7 mV，有效降低了電池組內電池單體的不一致性。

表1 擱置階段均衡前后電池組電壓數據對照表 V

5 結 語

鋰電池單體的不一致性會影響電池組的使用效能，甚至會導致使用時的安全問題。本文采取在不同階段選取適合的均衡變量，應用TI公司的可擴展電池管理控制器bq78PL116作為主控芯片，采用電感型雙向無損均衡模塊主電路結構，設計并制作了實驗樣機。實驗結果表明，本文所設計的雙向動態(tài)無損均衡管理系統(tǒng)可以有效完成對鋰電池組的均衡與管理，為鋰離子電池的推廣應用提供了很好的解決方案。

[1] MaYouliang,Chen Quanshi.The Inconsistent Influence Analysisof Battery for Hybrid Electric Vehicle[J].Auto Electrical Parts,2001(2):5-9.

[1] 王震坡,孫逢春,林程.不一致性對動力電池組使用壽命影響的分析[J].北京理工大學學報,2006,26(7):577-580.

[2] George Altemose.A Battery Electronics Unit(BEU) for Balancing Lithium-Ion Batteries[C]Power Systems Conference.Washington:SAE International,2008.

[3] Yarlagadda S,Hartley T T,Husain I.A Battery Management System Using an Active Charge Equalization Technique Based on a DCDC Converter Topology[C]Energy Conversion Congress and Exposition(ECCE).IEEE,2011:1188-1195.

[4] 吳友宇,梁紅.電動汽車動力電池均衡方法研究[J].汽車工程,2004,26(4):382-385.

[5] 高敏.基于儲能電感的動態(tài)雙向無損均衡電路的研究[D].天津:天津大學,2010.

[6] 徐偉.磷酸鐵鋰動力電池充電方法研究和均衡充電模塊的設計[D].重慶:重慶大學,2010.

[7] 周潤景.PSpice電子電路設計與分析[M].北京:機械工業(yè)出版社,2010.

[8] 潘進.大容量儲能系統(tǒng)電池管理技術研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學,2012.