5kW鋰電池模組BMS的研究與開發(fā)

甘屹　陳成　曾樂才

摘 要： 設(shè)計(jì)了以MSP430為控制核心的用于5 kW鋰電池管理系統(tǒng)（BMS）.建立了關(guān)于電池荷電狀態(tài)的模型，在實(shí)際估計(jì)中，采用開路電壓和按時(shí)積分相結(jié)合的方法且有較高的精度；采取電池均衡充電的方案，補(bǔ)償了電池容量的差異性，進(jìn)而使得電池組的使用壽命延長(zhǎng).電池荷電狀態(tài)估算的改進(jìn)方案解決了按時(shí)計(jì)量法無法確定初始荷電狀態(tài)、難以精準(zhǔn)測(cè)得庫(kù)侖效率等問題，確保了電池管理系統(tǒng)處于穩(wěn)定工作狀態(tài).該系統(tǒng)具有抗干擾能力極強(qiáng)、硬件電路可靠、且十分經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn).經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，利用該系統(tǒng)進(jìn)行SOC剩余容量估計(jì)的結(jié)果較為精確.

關(guān)鍵詞： 鋰電池； 電池管理系統(tǒng)（BMS）； 電池荷電狀態(tài)（SOC）估計(jì)； 均衡管理； MSP 430

中圖分類號(hào)： TK 51； TP 27 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Research and development of a battery management system for

a 5 kW lithium battery unit

GAN Yi1， CHEN Cheng1， ZENG Lecai2

（1.School of Mechanical Engineering， University of Shanghai for Science and Technology，

Shanghai 200093； 2.Shanghai Electic Group， Shanghai 200070， China）

Abstract： A battery management system（BMS） for 5 kW lithium battery with the microcontroller MSP430 was designed.Its state of charge model was established.The combination of amperetime integral and open circuit voltage was adopted with high precision.A new equalization method was designed to compensate the unbalance between batteries，which could lengthen the battery life.This improved state of charge estimation algorithm could resolve the problems including initial state of charge determination，accurate measurement of efficiency，and so on.And thus the BMS functioned stably.The system had the advantages of reliable circuit，economy，and antijamming.The remaining capacity estimation was accurate by using this system in the practical operations.

Keywords： lithium battery； battery management system； state of charge estimation； equalizing management； MSP 430

近年來，鋰離子電池產(chǎn)量快速發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，然而，它對(duì)電壓、溫度和電流要求極其嚴(yán)格，稍有不慎就有可能導(dǎo)致電池受到損傷、報(bào)廢，乃至燃燒或爆炸.因此，鋰電池管理系統(tǒng)應(yīng)具有的功能有：數(shù)據(jù)采集、電池荷電狀態(tài)估計(jì)（電氣控制、充電與放電的控制）、均衡充電、熱量約束、使用安全和數(shù)據(jù)通訊等功能，由此保障電池的續(xù)航時(shí)間，使電池的使用壽命得到延長(zhǎng)，并使電池的充電效率有效提升.德國(guó)Hauck設(shè)計(jì)的BATTMAN電池管理系統(tǒng)中將全部不同型號(hào)動(dòng)力型電池組的管理做成一個(gè)系統(tǒng)，通過改動(dòng)硬件的跳線和在軟件上增加選擇參數(shù)等方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同型號(hào)電池組的管理.美國(guó)通用汽車公司生產(chǎn)的EV1電池管理系統(tǒng)可監(jiān)測(cè)單電池電壓，對(duì)電池組電流進(jìn)行分流采樣，保護(hù)電池組高壓（保險(xiǎn)絲），對(duì)熱敏電阻的溫度采樣，憑借電池組的平均特性控制充電、過度放電預(yù)警并降低電動(dòng)汽車行駛功能與作用，電量計(jì)算等[1].

在設(shè)計(jì)鋰電池模組管理系統(tǒng)時(shí)，仍然存在一些問題：一方面，必須精確估計(jì)電池荷電狀態(tài)，從電池能力的充分發(fā)揮和安全性的提高這兩個(gè)方面實(shí)現(xiàn)電池高效管理；另一方面，電池模組需要達(dá)到較高的電壓系統(tǒng)，且在使用過程中表現(xiàn)出的高度非線性，極大地增加了精確估計(jì)電池荷電狀態(tài)的難度.因此，要保證鋰電池模組控制系統(tǒng)與總控制系統(tǒng)的通訊性能，并保證電池模組能夠?qū)崿F(xiàn)自身控制管理.根據(jù)鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)其模組通訊性能、自身控制管理功能以及對(duì)系統(tǒng)安全性的影響等要求，本文采用低功耗的MSP430型單片機(jī)作為主控芯片設(shè)計(jì)了一種5 kW鋰電池模組.

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 硬件系統(tǒng)總體框架

5 kW鋰電池模組中的單體電池有10～20塊，需要對(duì)其進(jìn)行溫度、電壓、電流等數(shù)據(jù)的采集.電池管理系統(tǒng)（BMS）包含主控單元、信號(hào)采集與單體電池均衡單元、充放電控制單元、通訊單元等四個(gè)部分.5 kW電池模組BMS總體框圖如圖1所示.

主控單元與信號(hào)采集單元通訊采用串行外設(shè)接口SPI通訊方式，與主控系統(tǒng)以控制器局域網(wǎng)CAN總線的方式進(jìn)行通訊.信號(hào)采集與單體電池均衡集中在一個(gè)模塊中完成.

1.2 硬件模塊設(shè)計(jì)

1.2.1 主控單元模塊

5 kW鋰電池模組的主控單元需要完成對(duì)電池組的通斷、電池模組與儲(chǔ)能設(shè)備通訊等功能，且需要具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力.為滿足本文中按時(shí)計(jì)量法和開路電壓法綜合均衡控制算法、荷電狀態(tài)估計(jì)和總線串口通訊等功能，并考慮能耗等成本問題，本文采用64引腳的MSP430芯片作為核心控制芯片.該芯片內(nèi)部集成2路通訊電路，既可通過選

圖1 5 kW電池模組BMS總體框圖

Fig.1 Module block diagram of 5 kW battery BMS

擇進(jìn)行UART0、UART1異步通訊，又可進(jìn)行SPI1、SPI2同步通訊.MSP430通過UART0部分接口與總控制系統(tǒng)進(jìn)行CAN總線通訊，模組主控單元與系統(tǒng)總控制單元需要配備相應(yīng)的通訊隔離電路完成CAN總線通訊.

MSP430型單片機(jī)有3套時(shí)鐘單元，可根據(jù)需求提供400 k～12 MHz的時(shí)鐘頻率，以方便采集板數(shù)據(jù)采集與內(nèi)部數(shù)據(jù)處理協(xié)同進(jìn)行.主控單元與電壓溫度采集模塊以SPI通訊模式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，電流直接由主控模塊從外部電池組通過傳感、放大等電路以A/D轉(zhuǎn)換的方式采集.同時(shí)為防止受掉電、故障等突發(fā)事件的影響，主控單元在檢測(cè)故障發(fā)生的瞬間采用兩線式串行總線I2C的通訊方式將數(shù)據(jù)導(dǎo)入儲(chǔ)存芯片EPPROM中，以AT24C512C

SSHD為EPPROM寫入芯片.在設(shè)備恢復(fù)時(shí)，重新將數(shù)據(jù)導(dǎo)出，防止發(fā)生故障時(shí)數(shù)據(jù)丟失.

1.2.2 電壓、溫度采集模塊

電壓、溫度采集模塊需要實(shí)現(xiàn)高精度、高效率的采集，因此采用具有32路信號(hào)采集端的bq76PL536A芯片[2].bq76PL536A是一種可堆棧3～6節(jié)串聯(lián)鋰離子電池組的保護(hù)器和模擬前端，它在很大程度上歸并了高精度模數(shù)轉(zhuǎn)化器，電池電壓和保護(hù)溫度的功能突出，電池平衡技術(shù)和給用戶電路供電的高精度5 V穩(wěn)壓器，無需在集成電路之間使用隔離組件，就可監(jiān)控192個(gè)電池單元.bq76PL536A集結(jié)了高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)和電壓轉(zhuǎn)換，可極其精確、迅速地測(cè)出電池的單元電壓.bq76PL536A可以對(duì)過壓、欠壓和過溫狀況提供周到保護(hù)， 超過安全閾值時(shí)，可以建立故障輸出，無需外部組件就可以設(shè)置和運(yùn)行保護(hù)功能.

本文采用4片bq76PL536A芯片堆疊構(gòu)成采集模塊，實(shí)現(xiàn)高精度、高效率的電壓、溫度采集.該模塊可方便地進(jìn)行多路電壓、溫度的并行采集.采用高速串行外設(shè)接口串口通訊4線模式建立bq76PL536A與主控單元MSP430單片機(jī)的通訊，MSP430通過高速串行外設(shè)接口總線在4片bq76PL536A切換實(shí)現(xiàn)采集電池電壓、溫度信號(hào)，主控單元只需4路接口便可完成主控單元與采集模塊的信息傳遞.這種結(jié)構(gòu)既保證了對(duì)外豐富的信息采集接口輸入，又節(jié)省了主控單元接口資源.

采集模塊通過在bq76PL536A電壓采集端口加入穩(wěn)壓二極管、電容與MOS（金屬氧化物半導(dǎo)體）管構(gòu)成的電壓調(diào)理電路實(shí)現(xiàn)了單體電池的均衡.當(dāng)單體電池之間壓差超過一定值，MOS管導(dǎo)通，高電壓?jiǎn)误w電池對(duì)電容進(jìn)行充電，電壓下降，MOS管壓差減小后關(guān)閉，使得單體電池之間能夠均衡.

1.2.3 電源模塊設(shè)計(jì)

5 kW電池模組可提供40～90 V的供電電壓，而BMS管理模塊中主控單元核心控制芯片工作電壓要求為3.3 V，電壓采集板bq76PL536A芯片的工作電壓要求為5 V，管理模組對(duì)應(yīng)的外設(shè)工作電壓基本要求在3～5 V.本文首先采LM5008A

DGK_8芯片設(shè)計(jì)電壓轉(zhuǎn)化電路，將電池提供的電壓轉(zhuǎn)換并且穩(wěn)定在10 V，然后采用2TLV70450

DBV_5芯片將10 V電壓分別轉(zhuǎn)換為5、3.3 V，為控制板各個(gè)模塊工作提供穩(wěn)定的電源，保證主控板的正常工作.

1.2.4 均衡充電模塊

均衡充電模塊可改善和解決蓄電池容量的不均衡問題.電池端電壓的不均衡直接體現(xiàn)了電池容量的不均衡.如今國(guó)內(nèi)外采取的方案主要是電阻方案、電容均衡方案以及獨(dú)立充電方案[3].電容均衡充電方案控制簡(jiǎn)單，能量損失小，故本文采用此方案.電容均衡充電模塊原理如圖2所示，圖中：S1、S2、S3、S4均為操縱開關(guān)；B1、B2、B3、B4均為電池.該方案運(yùn)用電容將多余電荷存儲(chǔ)以便轉(zhuǎn)移，操縱開關(guān)閉合，將鋰電池模組中容量較高的單體電池中的多余能量?jī)?chǔ)存至電容中，再通過電容傳輸至容量較低的單體電池中.由操縱開關(guān)S1、S2閉合電池B2，將具有較高容量的B2電池中的多余電荷傳輸?shù)诫娙葜?，然后操縱開關(guān)S1、S2連接電池B1，將電容中存儲(chǔ)的電荷轉(zhuǎn)移到較低容量的電池B1中，最終達(dá)到電池組的均衡.

圖2 電容均衡充電模塊原理

Fig.2 Schematic diagram of the equalizing

charge module

2 軟件設(shè)計(jì)

5 kW電池模組BMS主控模塊的主要任務(wù)為：完成采集板與總系統(tǒng)控制模塊之間的通訊，電池充放電切換功能實(shí)現(xiàn)，電池荷電狀態(tài)估計(jì)、數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)電池均衡和熱管理，數(shù)據(jù)寫入.為了增加程序的可維護(hù)性，方便今后的擴(kuò)展和程序移植，采用C語(yǔ)言編寫.采用模塊化設(shè)計(jì)思路，軟件設(shè)計(jì)流程如圖3所示.

圖3 軟件設(shè)計(jì)流程

Fig.3 Flow chart of software design

2.1 電池荷電狀態(tài)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

常用的電池荷電狀態(tài)估計(jì)方法有[4-5]電流積分法、電池內(nèi)阻法、開路電壓法和端電壓、端電流綜合法.本文從電路集成度、所選擇的微控制單元和實(shí)現(xiàn)算法的難易程度等實(shí)際情況出發(fā)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)，以按時(shí)計(jì)量法和開路電壓法為基礎(chǔ)，補(bǔ)償了每個(gè)影響要素，選取了一個(gè)綜合方案對(duì)電量進(jìn)行估計(jì).

電池荷電狀態(tài)系統(tǒng)軟件流程如圖4所示.本文采用按時(shí)計(jì)量法和開路電壓法進(jìn)行電池荷電狀態(tài)估計(jì).

圖4 SOC系統(tǒng)軟件流程

Fig.4 Flow chart of SOC system software

其實(shí)現(xiàn)過程為：首先，在采集板上傳的電池電壓數(shù)據(jù)中得到最小值作為開路電壓估計(jì)的依據(jù)，因?yàn)殡妷鹤钚〉碾姵貨Q定了整個(gè)電池組的容量；另外，對(duì)由主控板收集的電流數(shù)據(jù)作積分，可得出電池荷電狀態(tài)

SOC=SOC0-1Cn∫t0ηIdt

（1）

式中：Cn為電池額定容量；I為電池電流；η為充放電效率；t為時(shí)間；SOC0為初始電池荷電狀態(tài).

該方法的難點(diǎn)在于精確確定SOC0.本文采取極端狀況以確定初次使用時(shí)SOC，也就是將整個(gè)電池組充電直到充電終止電壓或放電直到放電終止電壓的極端狀況，設(shè)SOC為1或0.系統(tǒng)在第二次及之后上電時(shí)，管理系統(tǒng)將記錄電池模組靜置時(shí)長(zhǎng).若靜置時(shí)長(zhǎng)超過理論要求時(shí)長(zhǎng)，將采用開路電壓法，精確測(cè)出單體電池端壓，獲得實(shí)際的SOC.并且，管理系統(tǒng)會(huì)將斷電時(shí)的SOC存進(jìn)系統(tǒng)當(dāng)作修正SOC的參考，即關(guān)機(jī)時(shí)開路電壓（OCV）穩(wěn)定，可反映此刻電池的SOC，于是可利用OCV校正初始SOC；若OCV不穩(wěn)定，無法由此精確校正電池的SOC時(shí)，則繼續(xù)采用前一次關(guān)機(jī)時(shí)刻得到的SOC當(dāng)作此時(shí)初始SOC.

在電池組工作過程中估計(jì)電池荷電狀態(tài)時(shí)難以避免地將出現(xiàn)諸多誤差，而當(dāng)誤差累積到某一程度時(shí)，就需要對(duì)電池荷電狀態(tài)進(jìn)行初始化.初始值可由充放電期間的極端狀況確定.除此之外，在電池荷電狀態(tài)估計(jì)中，要充分考慮溫度、壽命等因素電池荷電狀態(tài)的影響，進(jìn)而增加校正因子校正SOC.

2.2 單片機(jī)CAN總線的通訊

本文CAN總線的軟件設(shè)計(jì)可分為三個(gè)板塊：CAN總線初始化、接收和發(fā)送數(shù)據(jù)、CAN總線檢錯(cuò)機(jī)制.因此選用SJA 1000作為CAN總線接口電路的重要組成[6]，SJA 1000需在硬件復(fù)位上電的同時(shí)進(jìn)行初始化系統(tǒng)軟件，使其數(shù)據(jù)通訊可順利進(jìn)行.初始化主要步驟為SJA 1000在復(fù)位模式時(shí)調(diào)整總線配置寄存器，調(diào)整總線速率、驅(qū)動(dòng)輸出引腳模式、總線模式時(shí)鐘分頻.本文的總線設(shè)計(jì)中，主控板、采集板以及CAN數(shù)據(jù)發(fā)送均采取查詢模式，數(shù)據(jù)接收則采取中斷模式.

本文CAN總線中，SJA 1000工作于BasicCAN模式，包括溢出數(shù)據(jù)中斷、過失中斷等五種中斷方式，其中溢出數(shù)據(jù)中斷和過失中斷可用于檢錯(cuò)機(jī)制，通過中斷處理CAN總線錯(cuò)誤.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

在硬件設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行初步調(diào)試.采取電容均衡方式進(jìn)行均衡，以充電均衡為例進(jìn)行說明.充電均衡策略為：充電時(shí)，當(dāng)電池電壓達(dá)到設(shè)定電壓（2.4 V）后，且當(dāng)電池組單體電池之間的壓差超過設(shè)定值（30 mV）時(shí)，開啟均衡功能，對(duì)電壓最高的電池實(shí)行放電；當(dāng)電池組單體電池之間的壓差小于10 mV時(shí)，停止均衡，形成一個(gè)遲滯回環(huán).為了快速驗(yàn)證均衡功能，選用了一塊微短路電池進(jìn)行實(shí)驗(yàn).該電池的狀態(tài)為充放電均極快，充電時(shí)上升至2.6 V的用時(shí)為正常電池的50%，而放電時(shí)電壓下降速率為正常電池的2倍.將其與編號(hào)為B1～B5及 B7～B10等九個(gè)單體鋰離子電池串聯(lián)進(jìn)行充放電均衡實(shí)驗(yàn).電池端電壓均衡前、后的比較如表1所示，表中B6為微短路電池.

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，B6均衡前電壓遠(yuǎn)高于其它電池，B3、B9的均衡前電壓略高于設(shè)定值，開啟均衡后其電池電壓很快下降到平均值，并且在充電過程中，其它電池電壓均有所增加；均衡后每個(gè)電池的電壓趨近相等，滿足設(shè)計(jì)要求.

4 結(jié) 論

本文對(duì)大功率電池組管理系統(tǒng)工作原理進(jìn)行了詳細(xì)介紹.根據(jù)其原理，闡述了采用價(jià)格低廉、低功耗的MSP430型單片機(jī)設(shè)計(jì)一款5 kW鋰電池模組BMS的設(shè)計(jì)思想與實(shí)現(xiàn)途徑.通過實(shí)際運(yùn)行比較，配備有基于MSP430單片機(jī)設(shè)計(jì)的鋰電池模組BMS完成了模塊中單體電池電壓、電流的采集，電池荷電狀態(tài)估計(jì)，單體電池的均衡和主控系統(tǒng)的通訊，自身充放電開啟和關(guān)閉等功能，實(shí)現(xiàn)了高精度、高穩(wěn)定性的大功率鋰電池模組的管理.

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