嵌入式電動自行車電池管理系統(tǒng)設(shè)計

任文舉，任秩倩

(燕山大學(xué)電氣工程學(xué)院，河北秦皇島066004)

嵌入式電動自行車電池管理系統(tǒng)設(shè)計

任文舉，任秩倩

(燕山大學(xué)電氣工程學(xué)院，河北秦皇島066004)

分析了鋰離子電池在電動自行車行業(yè)應(yīng)用中存在的瓶頸，設(shè)計了以BQ77PL900為模擬前端，以MSP430為核心，能實現(xiàn)電壓精確測量，擴展高低溫保護，帶有故障診斷、荷電狀態(tài)(SOC)估算及數(shù)據(jù)記錄功能的低功耗電池管理系統(tǒng)。系統(tǒng)使用安時積分法結(jié)合溫度進行SOC估算，使用完整充放電法結(jié)合循環(huán)次數(shù)進行容量修正。設(shè)計了完備的數(shù)據(jù)記錄功能，通過CAN總線上傳電池SOC和使用信息。通過實驗驗證了電池管理系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性及SOC算法的精確性。

電池管理系統(tǒng)；荷電狀態(tài)；故障診斷；MSP430；BQ77PL900；低功耗

我國的電動自行車多采用鉛酸電池作為儲能器件，致使鉛酸電池消費量和報廢量迅速上升，在使用和回收中如處置不當，會嚴重危害人體健康，帶來巨大的環(huán)境風(fēng)險。鋰電池由于電壓高、比能量高、循環(huán)壽命長、無記憶效應(yīng)、自放電率低、工作溫度范圍寬、清潔無污染等優(yōu)點，在電動自行車領(lǐng)域存在巨大的市場潛力。鋰電池在電動自行車中獲得廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)是電池使用壽命的提高和使用成本的降低。因此鋰電池保護系統(tǒng)需要設(shè)計合理的保護參數(shù)和均衡策略，設(shè)計準確的荷電狀態(tài)(SOC)算法，防止電池在使用過程中的濫用，延長電池壽命，降低鋰電池使用成本，促進鋰電池在電動自行車領(lǐng)域中的應(yīng)用[1]。

本文采用BQ77PL900作為模擬前端提供二次保護，以MSP430為核心設(shè)計了一種嵌入式多功能鋰電池管理系統(tǒng)。系統(tǒng)除提供過壓、欠壓、過流、短路和高溫保護等常規(guī)功能外，還具有故障診斷及顯示、數(shù)據(jù)記錄、低溫保護等功能。系統(tǒng)使用安時積分法結(jié)合溫度進行SOC估算，使用完整充放電法結(jié)合電池循環(huán)次數(shù)進行容量修正。設(shè)計了完備的數(shù)據(jù)記錄功能，記錄電池的使用情況，使用CAN總線上傳電池的SOC和使用信息。

1 電池管理系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示，以MSP430為核心，使用BQ77PL900作為模擬前端提供過壓、欠壓、過流、短路、過溫等二次保護，使用MSP430擴展了4路溫度傳感器，擴展了電池管理系統(tǒng)的低溫保護功能，實現(xiàn)了對多種類型10串鋰離子電池的可靠保護和實時管理。同時設(shè)計了合理的數(shù)據(jù)記錄功能，使用EEPROM進行電池使用信息的記錄，使電池的使用情況得以追溯，為電池的合理使用創(chuàng)造條件。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.1 電壓測量及過壓、欠壓保護功能

在電池管理系統(tǒng)中，通過修改BQ77PL900相關(guān)寄存器，在VOUT管腳輸出不同的待測電壓，使用單片機即可完成電池組單體、BAT+端和PACK+端的電壓輸出。STATE_CONTROL寄存器中VGAIN位用來進行電壓放大器的設(shè)置。根據(jù)電壓放大器的是否使用，采用不同的計算公式進行電池電壓的換算。當選擇VGAIN=0時使用公式(1)進行電池單體電壓的測量與換算，當選擇VGAIN=1時使用公式(2)進行電池單體電壓的測量與換算。單體電池電壓使用CELL_SEL寄存器中的CELL4、CELL3、CELL2、CELL1來進行選擇，具體如表1所示。

表1 CELL4、CELL3、CELL2、CELL1與電池的對應(yīng)關(guān)系

當對FUNCTION_CONTROL寄存器中的PACK位進行設(shè)置時可以實現(xiàn)電池組PACK+端電壓的VOUT輸出，通過單片機實現(xiàn)對電池組PACK+端電壓的測量，使用公式(3)對電池組PACK+端電壓進行換算。

當對FUNCTION_CONTROL寄存器中BAT位進行設(shè)置時可以實現(xiàn)電池組BAT+端的電壓的VOUT輸出，使用單片機實現(xiàn)電池組BAT+端電壓的測量并使用公式(4)進行BAT+電壓的計算。

在公式(1)～(4)中VOUT為BQ77PL900的VOUT管腳輸出的待測電壓值。由于BQ77PL900包含有采樣保持電路和差分放大器，在使用中可對采集到的電壓進行修正，以提高測量精度。

當電池管理系統(tǒng)檢測到電池組的電池存在欠壓現(xiàn)象時，系統(tǒng)將會切斷放電通道，進入低壓保護狀態(tài)。STATUS寄存器中UV將會置位。此時只有對電池進行充電，使電池電壓大于欠壓恢復(fù)電壓時，再次打開放電通道進入正常工作狀態(tài)。當檢測到任何一個電池的電壓發(fā)生過壓時，切斷電池組的充電通道，將STATUS寄存器中OV置位進入保護狀態(tài)。需要對發(fā)生過壓的電池進行均衡，直至電池組中電池電壓低于過壓恢復(fù)電壓時再次打開充電通道，對電池組進行完整充電。

1.2 溫度測量及溫度保護

BQ77PL900芯片提供一路溫度測量功能，在系統(tǒng)中使用BQ77PL900完成高溫強制保護?？紤]到溫度測量精度與系統(tǒng)的可靠性，在設(shè)計中通過使用NTC擴展4路溫度測量電路，實現(xiàn)了對電池和管理系統(tǒng)的全面高低溫保護，防止電池在高溫或低溫下的充電與放電現(xiàn)象的發(fā)生，延長電池的使用壽命，提高電池的安全性。

通過設(shè)置FUNCTION_CONTROL寄存器中的TOUT位實現(xiàn)BQ77PL900的溫度測量功能，溫度信號的輸入端為TIN端如圖2所示。如果測得TIN端的輸入電壓大于0.975 V，進入高溫保護狀態(tài)，關(guān)閉充放電通道同時置位STATUS寄存器中的OVTEMP位。

圖2 溫度測量電路

系統(tǒng)的低溫保護通過單片機實現(xiàn)，當檢測到環(huán)境溫度較低時，系統(tǒng)將會切斷充放電通道，進入低溫保護狀態(tài)。在高低溫低保護狀態(tài)下需要對電池進行升溫和降溫直至溫度恢復(fù)正常，才打開充放電通道進入正常工作狀態(tài)。

1.3 電流測量及過流和短路保護

在電池管理系統(tǒng)中，通過測量傳感電阻上的壓降實現(xiàn)電流的測量，原理如圖3所示。在測量時對FUNCTION_CONTROL寄存器中的IACAL、IAEN兩個位進行設(shè)置，使IOUT管腳輸出電流信號。

圖3 電流測量原理

然后根據(jù)不同的參數(shù)設(shè)置選擇使用不同的IGAIN值，使用公式 (5)進行電流值的計算。具體為：當設(shè)置STATE_CONTROL寄存器中IGAIN位為1時，電流增益為IGAIN=50；當IGAIN位為0時，電流增益為IGAIN=10。

式中：RSENSE為傳感電阻；VCURR為IOUT管腳輸出電壓值；IGAIN為電流放大器的增益。

在使用中當充放電電流超過設(shè)置的過載或短路值時，STATUS寄存器中的OCD位或SCD位將會置位，進行相關(guān)報警，電池管理系統(tǒng)將切斷電池組的充放電通道，對電池組進行保護，防止意外事故的發(fā)生。此時需要對過流或短路故障進行排除，電池管理系統(tǒng)將嘗試在設(shè)置的時間內(nèi)打開充放電通道進行恢復(fù)。如果故障狀態(tài)依然存在，則電池管理系統(tǒng)將會再次進入保護狀態(tài)，直至故障排除。

1.4 均衡電路設(shè)計

實驗結(jié)果表明電池組在使用中如果其中單體電池出現(xiàn)了性能差異，電池將進入容量的迅速衰減，大大降低電池的使用壽命。因此電池管理系統(tǒng)需要采取一定的均衡措施，以減緩單體電池的衰減速度，延長電池的使用壽命[2]。

在設(shè)計中采用充電過程中被動均衡方式進行電池的均衡，具體原理如圖4所示。設(shè)置CELL_BALANCE寄存器中的CBAL1-CBAL8位和FUNCTION CONTROL REGISTER寄存器中的CBAL10、CBAL10相關(guān)的位，來控制相關(guān)均衡通道的打開或者關(guān)閉，實現(xiàn)對電池的均衡。

圖4 均衡電路

由于內(nèi)部電路限制，BQ77PL900的均衡驅(qū)動能力為30 mA，如圖4(a)所示。當電池容量較小時可以實現(xiàn)電池的較快均衡，但是當電池容量較大時(比如電動自行車動力電池)均衡速度會大大降低。為了提高電池管理系統(tǒng)的均衡能力，使用低成本小功率MOSFET進行均衡電流的放大，設(shè)計了如圖4(b)所示的均衡電路。在對電池組進行均衡時，電池的能量將以熱的方式釋放出來，因此在實際設(shè)計中需要對均衡電流進行限制，防止溫度過高。在設(shè)計中選擇50 Ω 2512封裝的限流電阻作為均衡電阻，以提供良好的均衡特性，延長電池的壽命，降低使用成本。

2 鋰電池的使用特性

電池的充放電是復(fù)雜的電化學(xué)反應(yīng)過程，外界環(huán)境溫度、充放電電流、電池老化等對電池剩余容量估算有重要影響[2]。在系統(tǒng)設(shè)計中，考慮系統(tǒng)硬件設(shè)計和SOC估算精度，使用安時積分法對電池剩余容量進行估算并使用溫度對安時積分法進行修正，使用完整充放電法結(jié)合循環(huán)次數(shù)對電池容量進行修正，以提高SOC估算的準確度。

2.1 鋰電池的溫度特性

雖然鋰電池的使用溫度范圍比較寬，但是環(huán)境溫度對電池的放電容量有很大影響。實驗數(shù)據(jù)表明，溫度是影響電池SOC估算的一個重要因素[3]，它主要影響電池中電極材料的活性和電解液的電遷移速率。某型容量為12 Ah的鋰離子電池，其容量和溫度的關(guān)系曲線如圖5所示。將電池容量變化與溫度的關(guān)系采用二次曲線進行擬合，得到如下修正函數(shù)：

圖5 某型鋰離子電池容量和溫度的關(guān)系曲線

式中：C為電池容量；T為溫度；R2為擬合的相關(guān)系數(shù)。

公式(6)需要針對不同容量的電池單獨進行處理，具有一定的局限性。在使用中一般按照經(jīng)驗公式(7)補償溫度對容量的影響：

式中：T為溫度，℃；QT為溫度T℃時的電池容量，Q25為25℃時的容量，作為標準容量；kT為溫度系數(shù)，一般取0.006～0.008，也可以選擇其他溫度下的容量作為標準。在本設(shè)計中使用安時積分法結(jié)合溫度值修正公式(7)對電池的SOC進行修正，提高SOC計算的準確度。

2.2 鋰電池循環(huán)次數(shù)和容量的關(guān)系

電池的容量、內(nèi)阻與電池循環(huán)壽命存在一定的函數(shù)關(guān)系，一般根據(jù)電池的容量和內(nèi)阻值來確定電池健康狀態(tài)(SOH)。但電池內(nèi)阻在線測量存在很大困難，所以常常采用電池測試的方法建立電池容量與SOH的數(shù)據(jù)對應(yīng)關(guān)系[3-4]。電池管理系統(tǒng)只需要對充放電循環(huán)次數(shù)進行累積，然后通過查詢對應(yīng)的數(shù)據(jù)表來對總?cè)萘窟M行修正。圖6為某型容量為100 Ah的鋰離子電池使用次數(shù)和容量的關(guān)系。對圖6中的曲線使用二次函數(shù)進行擬合，得到如式(8)所示的擬合公式。

圖6 鋰離子電池容量和使用次數(shù)的關(guān)系

式中：C為電池容量；N為電池的使用次數(shù)；A為電池額定容量；R2為擬合的相關(guān)系數(shù)。

在系統(tǒng)中使用完整充放電法結(jié)合充放電次數(shù)進行電池容量的修正，以提高電池容量估計精度，為電池的合理使用打下基礎(chǔ)。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

如圖7所示，在初始化階段，首先對電池的當前狀態(tài)進行檢測并恢復(fù)歷史信息，判斷是否存在故障狀態(tài)，如果存在故障狀態(tài)，電池保護系統(tǒng)將進入保護狀態(tài)，同時記錄電池的故障狀態(tài)，根據(jù)故障診斷結(jié)果，分別對過壓、欠壓、過流、短路、高低溫故障次數(shù)進行累計并保存到EEPROM中，進入故障處理流程。

圖7 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

當系統(tǒng)進入正常工作狀態(tài)后，將會實時監(jiān)測電池電壓、電流、溫度等狀態(tài)，并進行SOC估算。根據(jù)實際情況進行電池使用信息的保存和記錄。

4 結(jié)論

本文基于BQ77PL900和MSP430單片機設(shè)計了一種電動自行車用電池管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)能提供精確的過壓、欠壓、過流、短路及高低溫保護功能；集成了精度較高的SOC算法；對故障信息和使用信息進行記錄，使用CAN總線進行數(shù)據(jù)的上傳。

[1]董明哲,張殿龍,武俊峰.基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的Ni-MH電池容量預(yù)測[J].哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報,2000,5(3):115-117.

[2]李曉紅.動力電池管理系統(tǒng)SOC估算研究及軟件設(shè)計[D].湖北：武漢理工大學(xué),2012:12-16.

[3]劉文剛,周波,王曉丹,等.18650型鋰離子電池的循環(huán)容量衰減研究[J].電源技術(shù),2012,36(3):306-309.

[4]肖成偉.車用鋰離子動力電池循環(huán)性能的研究[D].天津：天津大學(xué)，2007：34-36.

Design and implementation of embedded electric bicycle battery management system

REN Wen-ju,REN Zhi-qian
(Institute of Electrical Engineering,Yanshan University,Qinhuangdao Hebei 066004,China)

The bottleneck of the application of lithium-ion batteries in the electric bicycle industry was analyzed.The battery management system (BMS)with fault diagnosis,SOC estimation and data record was designed base on BQ77PL900 and MSP430.In the design,the precise voltage value was measured,and high and low temperature protection was extended.The ampere hour method combined with temperature was used for SOC estimation;the full charge and discharge method combined with cycles was used for capacity correction.A comprehensive data logging was designed.The usage information and battery charge status were uploaded via CAN bus.The experiment verifies the reliability,stability of the BMS and the accuracy of SOC algorithm.

battery management system;SOC;fault diagnosis;MSP430;BQ77PL900;low power consumption

TM 912

A

1002-087 X(2015)08-1648-04

2015-01-20

2012年秦皇島市科學(xué)技術(shù)研究與發(fā)展規(guī)劃(201202-1A035)

任文舉(1981—)，男，河北省人，碩士，實驗師，主要研究方向為電池管理系統(tǒng)、能量收集。