動力電池均衡控制系統(tǒng)設計

楊勇 張菁 錢瀟瀟

摘 要：針對新能源汽車中動力電池串聯(lián)成組使用存在的不一致性以及電池管理系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集的實時性和精確性不高的問題，設計了一套完整的電池管理均衡控制系統(tǒng)，詳細闡述了基于TI公司研發(fā)的專用電池監(jiān)測芯片BQ76940為核心的電壓采集電路、電流采集濾波、溫度采集擴展電路、通信電路的設計，并采用Buck-Boost型均衡控制電路和過充過放保護電路來改善動力電池一致性差、過充和過放等問題，最后進行了實驗測試，結果表明系統(tǒng)的可行性，實現(xiàn)了電池電壓數(shù)據(jù)的準確實時采集，誤差僅有±5 mV，并且均衡控制效果明顯，延長了電池組的使用壽命。

關鍵詞： 動力電池;Buck-Boost;BQ76940;電壓采集;均衡控制

文章編號： 2095-2163（2019）03-0216-07 中圖分類號： TM912 文獻標志碼： A

0 引 言

伴隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，不可再生能源的消耗、環(huán)境污染問題接踵而至，新能源電動汽車已成為全球車企及科研機構的重點研究對象。鋰離子電池因其高能量密度、充放電能力強等一系列優(yōu)點，成為新能源汽車首選的動力源，在新能源汽車領域得到廣泛應用[1-2]。但在汽車集成動力系統(tǒng)中一般需要高容量、高功率的動力源，需要選擇數(shù)十節(jié)、甚至上百節(jié)的電池串聯(lián)使用才能滿足電動汽車功率和能量的需求，但由于鋰電池自放電率、內阻、溫度等特性差異所表現(xiàn)出的不一致性，極易造成電池的過充、過放，導致電池組的整體性能下降，循環(huán)使用壽命也因此大大縮短，電動車的維護成本增加，安全性也無法得到保障[3-8]。電池管理均衡控制系統(tǒng)主要用于對串并聯(lián)連接的儲能電池進行管理，使其電壓等性能趨于一致，保證電池充放電階段的能量相對平衡，因此設計合理的均衡控制系統(tǒng)對新能源汽車的研究與發(fā)展具有重要意義。

本文以TI公司研發(fā)的專用集成電池監(jiān)測芯片BQ76940為核心，實現(xiàn)電池組電壓的實時高精度監(jiān)測，同時設計了溫度采樣擴展、電流采集濾波、保護電路、通信電路等硬件電路，采用Buck-Boost型均衡拓撲結構，并結合STM32單片機設計出了一套具有較高精度、可靠性的完整的電池管理均衡控制系統(tǒng)，再從實際應用的角度，測試了電壓精度和均衡控制效果，有效提高了電池組的一致性。

1 系統(tǒng)總體方案設計

系統(tǒng)主要由MCU主控單元、數(shù)據(jù)采集單元、均衡控制單元、電池單元幾部分構成。本設計以STM32F407VET6為主控制芯片，通過分析和處理由BQ76940芯片為核心的數(shù)據(jù)采集單元實時監(jiān)測到的電池工作參數(shù)，根據(jù)均衡控制策略判斷電池組一致性狀況，并產生相應的PWM控制信號控制均衡單元中的MOSFET開斷，以此實現(xiàn)電池組的有效管理，均衡控制系統(tǒng)整體框架如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件電路設計

2.1 MCU主控單元

主控芯片選擇了ST公司M4系列的32位高性能微處理器STM32F407VET6，該單片機具有高性能、低成本和低功耗的優(yōu)勢，擁有192 KB的SRAM以及512 KB～1 MB的FLASH;包括2個可用于電機PWM控制的高級定時器、12個基本定時器等資源;還具有多達15個標準和高級功能的通信接口，支持UART/USART、SPI、I2C以及CAN通信;提供3個12位ADC，2個12位DAC，一個低功耗的RTC，很好地滿足了控制系統(tǒng)的設計要求[9-11]。

2.2 電源電路

系統(tǒng)外接12 V的直流穩(wěn)壓電源，通過DC-DC降壓芯片TPS5431將12 V轉變成5 V，5 V為運算放大器等數(shù)字器件供電;利用LDO芯片AMS1117將5 V電源轉變3.3 V，為MCU及其他控制電路供電，如圖2所示，其中電源地和模擬地之間串聯(lián)一個0 Ω的電阻，能夠有效抑制環(huán)路電流，抑制噪聲，同時也為了在PCB布線的時候更容易區(qū)分數(shù)字地和模擬地。

2.3 電壓采集電路

本設計選用BQ76940作電壓采集，這是TI公司針對電池管理系統(tǒng)而研發(fā)的專用集成芯片，單個芯片可測量多達15節(jié)電池電壓值，并且具有平衡電量、輸出電源穩(wěn)壓等獨有特性。每個BQ769x0系列芯片都集成14位ADC，可獲取電芯電壓、熱敏電阻、芯片或鋰電池溫度等關鍵系統(tǒng)技術參數(shù)。對于每個連續(xù)的5個單元組（VC1～VC5，VC6～VC10，VC11～VC15），當該特定組中的單元沒有被平衡時，每個單元50 ms測量一次，并且每250 ms可獲得完整更新。50 ms的測量時間大大有助于消除嘈雜環(huán)境中出現(xiàn)的混疊效應。其中輸入電壓與ADC讀數(shù)轉換公式可表示為：

其中，GAIN和OFFSET分別以uV/ LSB、mV為單位存儲?；趯Ｓ眉尚酒妷翰杉砣鐖D3所示。

為濾除高頻雜波成分，保證采集信號的穩(wěn)定性和有效性，每一路采集到的電壓信號都需要經(jīng)過一個1 K電阻與1 uF電容組成的RC低通濾波電路引入到VCx引腳后進行A/D轉化，同時為了避免過充電壓和浪涌電流對A/D集成電路或者芯片產生損害，在芯片每兩個VCx引腳之間都連接了一個穩(wěn)壓二極管，電路如圖4所示。

2.4 電流采樣濾波電路

電流信號經(jīng)精密采樣電阻分壓輸入至放大器同相輸入端，采集數(shù)據(jù)通過LM358雙運放組成的多階低通濾波器輸入至MCU的PA0引腳中，多階濾波器的設計使得采集精度大大提高，電路如圖5所示。

2.5 溫度采樣擴展電路

在充放電階段，無論是工作狀態(tài)溫度、還是環(huán)境溫度的變化都對鋰電池的性能有著較大的影響，導致電池電壓的檢測出現(xiàn)較大的偏差，均衡效果受到影響。BQ76940最多直接支持3個熱敏電阻的連接，如果需要多溫度點的采集則必須選用多路選擇器拓展溫度通道，所以本設計將熱敏電阻作為傳感器，采用74HC4051高速CMOS器件設計了8路溫度采集通道，通過3個數(shù)字選擇端和1個低有效使能端選擇溫度采集點，合成信號由LM358組成的跟隨器進行緩沖送入PA1引腳，如圖6所示。

2.6 均衡電路

本設計采用基于單個Buck-Boost電路聯(lián)合改進形成的控制電路，如圖7所示。該拓撲結構的優(yōu)點在于：開關器件少，拓撲結構簡單，控制策略有效易行;損耗低，效率可觀;能實現(xiàn)動態(tài)均衡;易于擴展和模塊集成化。

以3節(jié)電池為例，其基本原理是將電感作為儲能和能量轉移元件，當單體電池B1電壓高于B2時，MCU產生占空比和頻率一定的PWM信號施加在MOSFET上，當T1閉合時，電池B1、開關管T1和電感L1組成通路，L1在T1閉合期間儲能，電感電流持續(xù)上升，當T1截止關斷時，L1儲藏的能量會經(jīng)過續(xù)流二極管D2為B2充電。其中，C1、C2、C3為高頻濾波電容，在能量傳輸轉移的過程中為均衡系統(tǒng)濾除雜波，同時在電路中并聯(lián)消磁電阻R1，R2，加強均衡控制電路的穩(wěn)定性，做到雙重保護。

2.7 MOSFET驅動電路

因為MOS管有一定的開斷時間，在高頻開關電路中會有較大開關損耗，而且MCU芯片的輸出IO口的PWM波電平電壓較低，達不到MOSFET的驅動電壓，所以需要加入驅動電路設計。

設計采用高速驅動芯片1EDI20N12AF，該芯片具有單通道隔離門極驅動，輸出電流峰值可達4A，驅動能力滿足要求。MCU產生的PWM波經(jīng)1EDI20N12AF的2號腳輸入，6腳與7腳輸出驅動FDD8424型功率開關，由于MOS管柵源級之間存在寄生電容，所以并聯(lián)電阻R1，使MOS管在關斷期間能快速放電，防止MOS管誤導通現(xiàn)象發(fā)生，電路如圖8所示。

2.8 通信電路

BQ76940與MCU之間是通過I2C進行通信的，本設計采用TCA9517雙通道雙向緩沖器提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行院涂垢蓴_性。TCA9517驅動芯片不僅能夠緩沖I2C雙向線上的串行數(shù)據(jù)（SDA）和時鐘（SCL）信號，同時還能保持I2C系統(tǒng)所有的工作模式和特性，實現(xiàn)信號穩(wěn)定有效的傳輸，電路如圖9所示。

2.9 保護電路

由于均衡充放電過程中可能會出現(xiàn)過電流等現(xiàn)象，致使系統(tǒng)的穩(wěn)定性得不到保障，所以必須設計保護電路，如圖10所示。S-8255A是一款具有內置高精度的電壓檢測電路和延遲電路的芯片，該芯片可以監(jiān)測3～5節(jié)串聯(lián)電池，過充檢測電壓范圍在3.5～4.4 V左右，精度可達±20 mV。正常工作狀態(tài)下，CO和DO端輸出電壓都為“H”狀態(tài)，MOSFET導通，發(fā)光二極管關閉，當電池超過額定電壓時，CO端輸出“L”狀態(tài)，DO輸出“H”狀態(tài)，此時Q2截止，Q4導通，發(fā)光二極管點亮報警，并禁止電池充電。

3 軟件設計

本設計選用了8節(jié)標稱電壓約為3.7 V，2 600 mAh的18650圓柱形鋰電池，其充放電截止電壓分別為4.2 V、2.7 V。定義VB1、VB2、…、VBn為各電池電壓實時監(jiān)測值，極差σ=VBmax-VBmin，相鄰電池間的偏差絕對值ΔVBxy=|VBx-VBy|。以充電均衡為例，采用分組均衡的方式，每相鄰2節(jié)電池分為一組，首先找出VBmax對應的電池VBi，分別計算與其相鄰的電池電壓VBi+1和VBi-1之間的差值，選擇差值中較大者對應的電池進行組間均衡，即輸出PWM波控制相應MOSFET，直至所有ΔVBxy

采用極差值法能夠最大化地提高電池容量利用率，通常情況下為保證系統(tǒng)能快速進入工作狀態(tài)，k值應設定較小，但考慮到系統(tǒng)的穩(wěn)定性，避免反復出現(xiàn)均衡條件的判定，而且受電壓采集精度的限制，k值不宜取太小，一般選擇采樣精度的2倍左右，本系統(tǒng)中設定值為10 mV。

4 系統(tǒng)實現(xiàn)與實驗結果分析

4.1 系統(tǒng)設計實現(xiàn)

本文以8節(jié)電池組成的電池組作為實驗研究對象，測試平臺構建如圖12所示。實驗中，穩(wěn)壓電源可以通過編程實現(xiàn)恒壓、恒流、恒功率、脈沖電流等多種充放電形式，所以既可作為系統(tǒng)的供電電源，也可以作為電池組的充放電電源。

4.2 電池電壓精度測試

實測電池電壓值是最直觀反映動力電池當前工作狀態(tài)的精確量，其測量的準確性會直接影響均衡效果。分別用精密萬用表以及以BQ76940為核心的電壓采集單元采集的電池電壓值，數(shù)據(jù)對比見表1。采集誤差在±5 mV之內，精度在±0.15%以內，滿足設計指標要求。

4.3 均衡實驗測試

第一次測試不加入均衡控制系統(tǒng)，直接接入電子負載進行恒流放電試驗，每隔5 min記錄上位機顯示的數(shù)據(jù)，測試時間60 min。第二次實驗將8節(jié)電池充放電微調至與初始試驗時相同大小的電壓，然后加入均衡控制系統(tǒng)，對比數(shù)據(jù)見表2。

可以看出，未均衡組電壓最大值為3.121 V，最小值2.712 V，其差值已達將近0.4 V，與之對應的均衡電池組，極差僅在20? mV之內，一致性得到明顯改善。為了更直觀觀察均衡效果，將所有時間點記錄進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計并計算電壓標準偏差值，來反映電池組的離散程度，趨勢如圖13所示。

可以觀察出，加入均衡控制單元后，在其放電階段，各電池之間的電壓差距明顯減小，且穩(wěn)定在一定范圍內，保障了電池組的一致性，避免了過放現(xiàn)象的出現(xiàn)。

5 結束語

針對串聯(lián)成組使用的電池存在的不一致性以及電池管理系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集單元精確性不高的問題，本文以STM32F407和BQ76940芯片為核心，采用Buck-Boost非能耗型均衡拓撲結構設計了數(shù)據(jù)采集和均衡控制系統(tǒng)，并搭建了8節(jié)18650鋰電池測試平臺進行實驗，實驗結果表明系統(tǒng)穩(wěn)定性好、測量誤差小，精度高，且均衡效果顯著，極大地提高了電池組一致性。使用專用集成電池監(jiān)測芯片可以大大減少元器件數(shù)量的使用，簡化電路板設計的空間，對新能源汽車的電池管理系統(tǒng)研究具有一定的參考意義和工程應用價值，但在均衡效率方面還有進一步研究和優(yōu)化的空間。

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