基于STM32的鋰電池均衡管理系統(tǒng)

薛家祥，沙幸威，陳永煌，鄭照紅，易春陽

（1.華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣州 510640；2.惠州學(xué)院 電子信息與電氣工程學(xué)院，惠州 516007）

出于節(jié)能和環(huán)保的考慮，鋰電池以其高能量密度和低污染等原因，成為取代傳統(tǒng)電池的理想材料，并廣泛應(yīng)用于電動汽車、光伏儲能等領(lǐng)域[1-2]。在光伏發(fā)電領(lǐng)域，使用鋰電池儲能可以解決光伏發(fā)電不穩(wěn)定性和不可靠性帶來的對電網(wǎng)的沖擊的問題。由于鋰電池的不一致性，電池組的可用容量會由容量最低的某串聯(lián)電池決定，不能使電池組工作在最佳狀態(tài)[3]。采用均衡充放電管理可以解決這一問題[4]。

本文設(shè)計的鋰電池均衡管理系統(tǒng)由STM32和BQ76PL455A組成，可以實現(xiàn)16節(jié)電池的電壓檢測和均衡管理，并具有過壓、欠壓、過流和過溫等保護(hù)。

1 鋰電池不一致性

鋰電池通常應(yīng)用于高壓場合，單個鋰電池電壓在3.7 V左右，這就需要將多個鋰電池串聯(lián)起來以提高電壓等級。而在生產(chǎn)過程中由于材料和工藝水平等原因，導(dǎo)致即使是同一批次的鋰電池也存在不一致性，具體表現(xiàn)為電壓、內(nèi)阻及容量的不一致性。再加上在充放電過程中，由于工作環(huán)境的不同和不當(dāng)?shù)碾姵毓芾韺?dǎo)致的過充和過放，會進(jìn)一步加劇串聯(lián)電池組的不一致性。這種不一致導(dǎo)致的短板效應(yīng)，會使電池的可利用率降低：如圖1（a）所示，在充電過程中，容量低的電池A先充滿，為了避免 A過充而停止充電，此時電池B沒有充滿，導(dǎo)致容量浪費；如圖1（b），在放電過程中，容量低的電池A先放完，為了避免A過放而停止放電，此時電池B還有容量沒有放完，導(dǎo)致容量浪費。目前，解決電池不一致的方法主要采用均衡管理技術(shù)[4]。

圖1 電池不一致的短板效應(yīng)Fig.1 Passive effect of battery inconsistency

2 主動/被動均衡

常見的均衡管理技術(shù)有主動均衡（非能量耗散式均衡）和被動均衡（能量耗散式均衡）[5-6]。主動均衡是利用儲能元件和均衡旁路將電池組中能量較高的電池的能量轉(zhuǎn)移至能量較低的電池中，從而實現(xiàn)電池的一致。這種方式可以減少能量的損失，但拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)較復(fù)雜，控制開關(guān)較多，增加了設(shè)計的難度與成本。被動均衡是利用電池并聯(lián)旁路電阻，將能量較高的電池通過旁路電阻以熱能的方式消耗，從而實現(xiàn)與其他電池的一致性。該方式結(jié)構(gòu)簡單，控制方便，但能量損失大。而電池不一致表現(xiàn)方式最容易測量的是電池電壓的不一致。因此本文采用被動均衡，通過測量電池電壓，判斷是否需要啟動均衡電路。

典型被動均衡電路如圖2所示?？刂葡鄳?yīng)的開關(guān)閉合，則相應(yīng)的電池可通過其并聯(lián)的電阻進(jìn)行耗能。

圖2 典型被動均衡電路Fig.2 Typical passive balancing circuit

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計均衡管理系統(tǒng)簡化框圖如圖3所示，系統(tǒng)電池組由16節(jié)電池串聯(lián)組成，采用TI的BQ76PL455A進(jìn)行電池的檢測、保護(hù)和均衡，系統(tǒng)微控制器采用STM32。BQ76PL455A一次可監(jiān)測16節(jié)電池，每節(jié)電池通過均衡電路連接至BQ76PL455A的VSENSE接口，通過該接口BQ76PL455A可以檢測電池電壓，并通過一個模擬AUX ADC輸入檢測電池溫度，這些檢測信號通過芯片內(nèi)部的AD轉(zhuǎn)換以數(shù)字形式存儲在BQ76PL455A的寄存器中。此外，該芯片可以監(jiān)視和檢測不同的故障條件，包括欠壓、過壓、過溫和通信故障。BQ76PL455A通過高速通用異步接收器/發(fā)射器 （UART）接口與STM32進(jìn)行通信。STM32根據(jù)接收到的各電芯電壓數(shù)據(jù)判斷對某電芯進(jìn)行均衡管理，并通過UART口發(fā)送均衡命令至BQ76PL455A，BQ76PL455A執(zhí)行均衡命令驅(qū)動相應(yīng)電芯對應(yīng)的開關(guān)管進(jìn)行被動均衡。當(dāng)電芯溫度超過正常溫度時，STM發(fā)送關(guān)斷充放電回路信號。

圖3 系統(tǒng)簡化框圖Fig.3 System simplified block diagram

3.2 均衡及電芯電壓采樣電路

一塊BQ76PL455A可以采集最多16節(jié)電池，并可以對這16節(jié)電池進(jìn)行被動均衡。如圖4所示為第15節(jié)和第16節(jié)相鄰電芯的均衡及電芯采樣電路，其他節(jié)電芯與BQ76PL455A的連接方式相同。以第16節(jié)電芯為例，該電芯的正極通過1 k的電阻R74連接至 VSENSE16引腳，BQ76PL455A通過該引腳測量第16節(jié)電芯的電壓。MOS管Q16用于控制第16節(jié)電芯均衡電路的開關(guān)，EQ16是第16節(jié)電芯的均衡控制引腳，控制Q16的開通和關(guān)斷。R16是均衡電阻，該電阻須為1 W的功率電阻，當(dāng)?shù)?6節(jié)電芯需要均衡時，EQ16驅(qū)動Q16導(dǎo)通，電芯通過R16導(dǎo)通正負(fù)極，該部分能量以熱能的形式耗散，從而達(dá)到均衡的目的。其他節(jié)電芯的均衡機(jī)制與此相同。

圖4 均衡及電芯電壓采樣電路Fig.4 Balanced and cell voltage sampling circuit

3.3 電池溫度采樣電路

如圖5所示為電池組溫度采樣電路，采用較為常規(guī)的NTC熱敏電阻采集溫度方法。熱敏電阻R5通過一個阻值為10 k的電阻R4連接至BQ76PL455A的VP引腳，VP輸出穩(wěn)定的5.3 V電壓，AUX1和AUX0分別接熱敏電阻的高側(cè)和低側(cè)，形成偽差分測量輸入，然后用AUX1的測量結(jié)果減去AUX0的測量結(jié)果，提高溫度測量精度。

圖5 電池組溫度采樣電路Fig.5 Battery temperature sampling circuit

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本文設(shè)計的均衡系統(tǒng)軟件流程如圖6所示。在充電過程中，BQ76PL455A啟動AD轉(zhuǎn)換測量電芯電壓和電池組溫度，判斷無過壓、無過溫及欠壓情況后，將每節(jié)電芯電壓Vn與16節(jié)電芯電壓的平均值Vave進(jìn)行比較，若發(fā)現(xiàn)某節(jié)電芯電壓于平均值大于均衡門限電壓，則開啟該節(jié)電芯對應(yīng)的均衡電路，對該節(jié)電芯進(jìn)行被動均衡，從而達(dá)到均衡目的。

圖6 均衡系統(tǒng)軟件流程Fig.6 Balancing system software flow chart

5 試驗結(jié)果分析

為驗證本文所設(shè)計的鋰電池均衡管理系統(tǒng)的可行性，搭建了試驗硬件平臺。以8節(jié)串聯(lián)26650電芯（cell1，cell2，……，cell8）為試驗對象，試 驗設(shè)備包括直流電源、設(shè)計的均衡系統(tǒng)以及萬用表。均衡試驗包括電壓測量精度檢測試驗和均衡試驗。

5.1 電壓測量精度測試

本均衡系統(tǒng)以電池電壓作為判斷是否均衡的關(guān)鍵，故對電芯電壓的檢測精度的要求比較高。將8節(jié)電芯串聯(lián)，并將檢測線按圖4所示接入相應(yīng)的檢測引腳，并將由BQ76PL455A檢測到的電芯電壓值通過STM32存儲并通過串口發(fā)到電腦的上位機(jī)上，從而讀出由均衡系統(tǒng)檢測到的電芯電壓。同時用萬用表將每節(jié)電芯的實際電壓記錄下來，如表1所示。試驗結(jié)果表明檢測值與實測值之間的誤差在10 mV以內(nèi)。

5.2 均衡試驗結(jié)果分析

為驗證該系統(tǒng)的均衡效果進(jìn)行了均衡試驗，將其中一顆電芯充電至4 V左右，并記錄了均衡前后的各電芯的電壓值，如圖7所示。試驗結(jié)果表明經(jīng)過均衡后各電芯的電壓值變得相對一致，均衡效果良好。

表1 檢測值與實測值對比Tab.1 Comparison of measured values and actual values

圖7 均衡試驗結(jié)果Fig.7 Result of balancing experiment

6 結(jié)語

本文以鋰電池均衡控制為研究目標(biāo)，設(shè)計了以BQ76PL455A+STM32為核心的均衡系統(tǒng)，并進(jìn)行了試驗的驗證。試驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以準(zhǔn)確測量各電芯的電壓值，并能使相對較高電壓的電芯通過耗能電阻放電，從而實現(xiàn)串聯(lián)電芯間的均衡，提高電池組的可用容量。

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