鋰離子電池組均衡系統(tǒng)

張春強(qiáng)，馮能蓮，王軍，王小鳳

(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，安徽合肥　230036)

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鋰離子電池組均衡系統(tǒng)

張春強(qiáng)，馮能蓮*，王軍，王小鳳

(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，安徽合肥230036)

摘要：為了提高鋰離子電池組的可用容量，降低電池組中單體電池間容量不一致的影響，在專用電池管理芯片BQ76PL536A-Q1和單片機(jī)MSP430F5529的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)穩(wěn)定運(yùn)行的鋰離子電池組均衡系統(tǒng)。利用模塊化思想將鋰離子電池組均衡系統(tǒng)分為采集板和核心板兩大部分。通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鋰離子電池組的放電和均衡過程，對(duì)均衡系統(tǒng)的電壓采集精度、電壓監(jiān)測(cè)和均衡功能進(jìn)行驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明，鋰離子電池組均衡系統(tǒng)能夠降低電池組中容量不一致的程度，確保電池組穩(wěn)定工作。

關(guān)鍵詞：鋰離子電池組；BQ76PL536A-Q1；均衡系統(tǒng)

為提高鋰離子電池的輸出功率，通常采用串聯(lián)電池的方式來提高電壓等級(jí)[1]。由于各單體電池在生產(chǎn)過程中內(nèi)阻、容量等參數(shù)不一致[2]，并且電池組在使用過程中，各個(gè)單體電池會(huì)發(fā)生一些變化，電池的各參數(shù)也會(huì)不一致。電池組內(nèi)單元的不均衡將帶來如下問題：1)電池組總?cè)萘康貌坏匠浞掷茫?)容易造成電池單元的故障甚至損壞，形成安全隱患；3)需要增加更多的檢測(cè)和控制電路[3-4]。為了減小這種不一致性對(duì)鋰離子電池組的影響，在電池組的充放電過程中需要增加均衡控制系統(tǒng)。

鋰電池組均衡技術(shù)分為能耗型均衡和非能耗型均衡。能耗型均衡主要為電阻放電式均衡，此種均衡結(jié)構(gòu)簡單，控制方便[5-6]。由于非能耗型均衡的電路復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)成本較高[7]，故本系統(tǒng)采用能耗型均衡方案，采用電池管理專用集成芯片BQ76PL536A-Q1，完成串聯(lián)鋰離子電池均衡系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并進(jìn)行試驗(yàn)論證。

1系統(tǒng)方案

BQ76PL536A-Q1是一款可堆疊式3～6節(jié)串聯(lián)鋰離子電池組保護(hù)器和模擬前端(Analog front end,AFE)[8]，包括：高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器；獨(dú)立的電池電壓和溫度保護(hù)功能電路；電池電量均衡功能電路。各個(gè)電池管理芯片之間、電池管理芯片與控制器之間采用一根高速串行外設(shè)接口(SPI)進(jìn)行可靠的通信。[9-10]

1.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1　串聯(lián)鋰離子電池組均衡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

串聯(lián)鋰離子電池組均衡系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，由BQ76PL536A-Q1采集板、MSP430F5529核心板和PC機(jī)組成。BQ76PL536A-Q1采集板的功能是與每節(jié)鋰離子電池相連、采集電池電壓信息并進(jìn)行均衡控制。BQ76PL536A-Q1通過垂直堆疊可監(jiān)測(cè)192個(gè)電池，無需在IC之間布設(shè)額外的隔離組件，只需連接多塊采集板就能擴(kuò)充電池?cái)?shù)量。MSP430F5529核心板的作用是控制采集板并起到PC機(jī)與采集板之間的通信媒介作用。PC機(jī)通過USB與核心板進(jìn)行通訊，并將采集到的電池組信息進(jìn)行顯示。

核心板與采集板相連的各通訊線如表1所示。BQ76PL536A-Q1有3組通訊信號(hào)線，每組8根，共24根。一組和控制器進(jìn)行通訊，一組和位置較低的電池管理芯片進(jìn)行通訊，最后一組和位置較高的電池管理芯片通訊[11]。

1.2均衡系統(tǒng)電路

每塊BQ76PL536A-Q1芯片可以檢測(cè)6塊鋰離子電池的電壓，并對(duì)6塊鋰離子電池進(jìn)行能耗型均衡。圖2為第一節(jié)電池與BQ76PL536A-Q1芯片的連接電路圖。VC0和VC1引腳在串接1 kΩ的電阻后分別與鋰離子電池組中第一節(jié)電池的負(fù)極和正極相連。功率MOS管Q1用于導(dǎo)通第一節(jié)鋰離子電池的均衡電路，CB1是第一節(jié)電池的均衡控制引腳，用于控制MOS管的導(dǎo)通與斷開。R4是均衡電阻，假設(shè)1#電池的電能較高，則將Q1導(dǎo)通，電阻R4的兩端分別與1#鋰離子電池的正負(fù)極導(dǎo)通，從而持續(xù)消耗1#電池的電能，降低1#電池電壓，從而達(dá)到均衡的目的。

表1　通訊信號(hào)線簡介

圖2　采集板部分電路

2系統(tǒng)軟件方案

圖3　系統(tǒng)軟件流程圖

本系統(tǒng)采用MSP430F5529單片機(jī)作為主控芯片，用于向采集板發(fā)送控制命令并讀取采集板采集的數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)的軟件采用CCS(Code Composer Studio)軟件進(jìn)行代碼調(diào)試并利用專用下載器將程序下載到MSP430F5529核心板中[12]。

串聯(lián)鋰離子電池組均衡系統(tǒng)的軟件流程圖如圖3所示。當(dāng)系統(tǒng)上電后對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，隨后對(duì)連接的各電池進(jìn)行電壓檢測(cè)。根據(jù)檢測(cè)到的電壓判斷是否達(dá)到均衡門限。若達(dá)到均衡門限且不處于均衡狀態(tài)則對(duì)采集板的均衡時(shí)間和均衡對(duì)象進(jìn)行設(shè)置；若未達(dá)到均衡門限或者正在均衡則跳轉(zhuǎn)到檢測(cè)電壓的步驟。

3試驗(yàn)

3.1系統(tǒng)精度試驗(yàn)

電池電壓是電池管理系統(tǒng)的重要參數(shù)[13]，大部分均衡系統(tǒng)根據(jù)各節(jié)電池的電壓按一定的算法來判別電池是否需要均衡[14]。所以電池檢測(cè)精度對(duì)于串聯(lián)鋰離子電池組均衡系統(tǒng)非常重要。為了驗(yàn)證均衡系統(tǒng)在常溫下的電壓測(cè)量精度，本文以6節(jié)松下額定容量為3 200 mA·h(NCR18650B)的鋰離子電池為測(cè)試對(duì)象，使用萬用表測(cè)量每塊電池的實(shí)際電壓，與均衡系統(tǒng)檢測(cè)電壓進(jìn)行比較得出電壓誤差，如表2所示。

由表2可知，在常溫下，本系統(tǒng)的測(cè)量誤差為-6～7 mV，誤差較小。由于試驗(yàn)條件的限制，萬用表檢測(cè)位數(shù)只有小數(shù)點(diǎn)后兩位，精度不高，導(dǎo)致檢測(cè)電壓與實(shí)際電壓的測(cè)量誤差與實(shí)際誤差相比要大。

3.2電池組放電試驗(yàn)

在實(shí)際使用過程中均衡系統(tǒng)需要對(duì)每節(jié)電池的電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控[15-16]，通過分析實(shí)時(shí)電壓才能判斷出需要對(duì)哪節(jié)電池進(jìn)行均衡控制。為了驗(yàn)證系統(tǒng)的電壓監(jiān)測(cè)功能，用6節(jié)松下鋰離子電池NCR18650B串聯(lián)后作為電源向一個(gè)型號(hào)為57BL55S06-230TF0的電機(jī)供電。該電機(jī)的額定電壓為24 V，額定電流為3.2 A，在試驗(yàn)過程中通過增加電機(jī)負(fù)載來改變電流輸出。在試驗(yàn)過程中利用串聯(lián)鋰離子電池組均衡系統(tǒng)的電壓監(jiān)測(cè)功能對(duì)總電壓及各電池的電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣并記錄，通過MATLAB軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后繪制電池組的總電壓變化曲線如圖4所示，各節(jié)電池電壓的變化情況如圖5所示，圖6為將圖5在放電結(jié)束階段的曲線放大后的情況。

表2　檢測(cè)電壓與實(shí)際電壓對(duì)比

圖4　總電壓變化曲線　　　　　　　圖5　各電池電壓變化曲線　　　　　　圖6　放電結(jié)束階段放大圖

由圖4可以看出，試驗(yàn)過程中4次對(duì)電機(jī)增加負(fù)載，分別是在50、80、160和260 min。放電過程中，當(dāng)增加電機(jī)負(fù)載時(shí)電池組總電壓會(huì)大幅度下降，下降幅度會(huì)因?yàn)殡姍C(jī)負(fù)載的增加程度而不同。增加電機(jī)負(fù)載一方面是為了加快電池電量的消耗，縮短試驗(yàn)時(shí)間；另一方面是為了查看外部負(fù)載變化對(duì)電池一致性的影響[17]。試驗(yàn)過程中設(shè)置的電池組放電下限是18 V，單節(jié)電池放電下限是3 V，在264 min時(shí)達(dá)到設(shè)置的放電下限，系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)，停止放電行為。

從圖5、6可見，6節(jié)電池在放電過程中的電壓變化與總電壓的變化相似。在放電過程的前80 min，6節(jié)鋰離子電池的電壓曲線基本重合；放電過程的80～200 min，6節(jié)鋰離子電池之間的電壓差開始變大，但變化程度較??；放電200 min以后，6節(jié)鋰離子電池的壓差變化很大，3#、4#、5#電池的電壓差別比較大。

在一致性的量化評(píng)價(jià)過程中，基于外電壓方式，通常采用電壓標(biāo)準(zhǔn)差和最大壓差衡量一致性[18]。在對(duì)放電過程中各時(shí)間點(diǎn)的電池間最大壓差與電池電壓標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行計(jì)算，放電過程中6節(jié)電池間最大壓差的變化曲線如圖7所示。放電過程中6節(jié)電池在各時(shí)間點(diǎn)上電壓標(biāo)準(zhǔn)差變化曲線如圖8所示。電壓標(biāo)準(zhǔn)差反映組內(nèi)所有電池電壓與平均電壓之間的偏離程度，表征電壓分布的分散度和均勻度，電壓標(biāo)準(zhǔn)差越小代表電壓分布越集中，電池一致性就越好。利用電壓標(biāo)準(zhǔn)差來衡量電池外電壓的一致性在理論上具有良好的效果[19]。

圖7　放電過程中電池間的最大電壓差變化曲線　　　　　　　　　圖8　放電過程中電壓標(biāo)準(zhǔn)差變化曲線

圖9　均衡過程各電池電壓變化曲線

由圖7、8可以看出：當(dāng)電機(jī)負(fù)載增加時(shí)，電池間的最大壓差與標(biāo)準(zhǔn)差都將呈現(xiàn)大幅度的增加。當(dāng)負(fù)載恢復(fù)到原值后，電池間的最大壓差與標(biāo)準(zhǔn)差有所下降，但相對(duì)于電機(jī)負(fù)載增加前最大壓差與標(biāo)準(zhǔn)差仍然有小幅度的上升。整個(gè)放電過程中電池間最大壓差與標(biāo)準(zhǔn)差的變化趨勢(shì)為：忽略由于電機(jī)負(fù)載增加導(dǎo)致的大幅度變化，隨著電池能量的逐漸放出，電池間的電壓最大壓差與標(biāo)準(zhǔn)差呈現(xiàn)逐漸上升趨勢(shì)。在電池組電壓較低時(shí)，最大壓差與標(biāo)準(zhǔn)差的上升尤為明顯。由于最大壓差與標(biāo)準(zhǔn)差可以很好的表示電池間的一致性問題，電池組的一致性在整個(gè)放電過程中保持變差的趨勢(shì)。

3.3電池均衡試驗(yàn)

均衡各電池間的能量是串聯(lián)鋰離子電池組均衡系統(tǒng)的核心功能[20-21]，為了驗(yàn)證系統(tǒng)的均衡功能，進(jìn)行電池均衡試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中設(shè)置的每次均衡時(shí)間為63 min，均衡門限電壓為30 mV。

圖9為均衡過程各電池電壓變化曲線，6節(jié)鋰離子電池中除了4#電池外均參加均衡。在均衡開始時(shí)，參加均衡的5節(jié)電池由于接入了均衡電路對(duì)電池進(jìn)行分壓，每節(jié)電池電壓下降10 mV左右。而不參加均衡的4#電池則相反，電壓上升10 mV左右。在均衡結(jié)束時(shí)，由于切斷了每節(jié)電池的均衡電路，所以參加均衡的電池電壓上升，不參加均衡的電池電壓下降。在整個(gè)均衡過程中雖然4#電池并沒有接入均衡電路，但是由于PCB板上電路的消耗導(dǎo)致電池電壓下降0.031 V。

從圖9中可以看出，均衡過程中參加均衡的電池電壓下降過程呈線性，另由表3中列出的參加均衡的5節(jié)電池均衡前后的電壓，可以計(jì)算得到6節(jié)電池的平均電壓下降速度為0.05 V/h。在均衡過程中，1#、2#、5#和6#電池的電壓有等于和低于4#電池電壓的情況，原因是在達(dá)到設(shè)置的63 min均衡時(shí)間前不會(huì)斷開均衡電路，且達(dá)到均衡時(shí)間后再檢測(cè)各電池電壓仍然大于均衡門限，又開始新一次均衡。從表3中列出的均衡后各電池電壓可以看出，在斷開均衡電路后，各電池電壓仍然大于均衡門限。但是由于試驗(yàn)時(shí)間過長，所以提前結(jié)束均衡試驗(yàn)。

表3　均衡前后各節(jié)電池電壓變化　單位:V

4結(jié)論

1)在專用電池管理芯片BQ76PL536A-Q1和MSP430F5529的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并開發(fā)一套串聯(lián)鋰離子電池組均衡系統(tǒng)。經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，本系統(tǒng)可以穩(wěn)定運(yùn)行并能夠?qū)^壓、欠壓和過溫幾類故障做出判斷和報(bào)警措施。2)由于串聯(lián)電池組中每節(jié)電池的各項(xiàng)電化學(xué)參數(shù)和工作環(huán)境并不完全一致，在放電過程中將導(dǎo)致各節(jié)電池的容量不一致，并逐漸累積放大，從而降低整個(gè)電池組的可用容量，在充電和自放電情況下的原理相同。3)新研發(fā)的串聯(lián)鋰離子電池組均衡系統(tǒng)，能夠有效地降低可用容量較高電池的電壓，從而達(dá)到均衡各電池可用容量的目的。

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(責(zé)任編輯：郎偉鋒)

收稿日期：2016-04-15

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51075010)；北京市教育委員會(huì)重點(diǎn)項(xiàng)目(KZ200910005007)

作者簡介：張春強(qiáng)(1990—)，男，江蘇蘇州人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡妱?dòng)汽車電池管理系統(tǒng)，E-mail：591469226@qq.com. *通訊作者：馮能蓮(1962—)，男，安徽宣城人，教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)榍鍧嵠嚺c智能車輛的研究和開發(fā)，E-mail：fengnl@bjut.edu.cn.

DOI：10.3969/j.issn.1672-0032.2016.02.017

中圖分類號(hào)：TM912

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-0032(2016)02-0094-06

Equalization System of Lithium-Ion Battery Series

ZHANGChunqiang,FENGNenglian,WANGJun,WANGXiaofeng

(SchoolofEngineering,AnhuiAgriculturalUniversity,Hefei230036 ,China)

Abstract:In order to increase the available capacity of the lithium-ion battery series and reduce the impact of capacity inconsistency among single batteries of the battery series, the stable equalization system of lithium-ion battery series is designed based on a special battery management chip BQ76PL536A-Q1 and MSP430F5529 microcontroller. The modular idea is used to divide the equalization system of the lithium-ion battery series into two parts: the collection board and the core board. By the real-time monitoring of the processes of discharge and equalization of the lithium-ion battery series, the voltage acquisition precision, voltage monitoring and balance function of the equalization system are verified. The test results show that the equalization system of the lithium-ion battery series can reduce its capacity inconsistency and ensure the stable operation of the battery series.

Key words:lithium-ion battery series; BQ76PL536A-Q1; equalization system