一種鋰電池組核電狀態(tài)主動(dòng)均衡系統(tǒng)

王建鋒，李 娜，艾 涵

（1.長(zhǎng)安大學(xué) 道路交通智能檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710064；2.陜西省道路交通智能檢測(cè)與裝備工程技術(shù)研究中心，陜西 西安 710064）

0 引 言

隨著電動(dòng)汽車(chē)的快速發(fā)展，作為電動(dòng)汽車(chē)能源核心的動(dòng)力電池已經(jīng)成為制約電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展的瓶頸，由于鋰電池具有高密度、高工作電壓以及無(wú)記憶等優(yōu)點(diǎn)，逐漸被廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域。為滿足電動(dòng)汽車(chē)使用要求，通常采用多單體電池串并聯(lián)組成電池組。由于組成電池組的各單體電池存在微小的差異，如活性物質(zhì)性質(zhì)以及使用條件等差異導(dǎo)致了電池參數(shù)的不一致，嚴(yán)重影響動(dòng)力電池組的能量效率和使用壽命。為減小電池組中各單體電池之間不一致性帶來(lái)的不利影響，需要對(duì)電池組進(jìn)行均衡管理。電池均衡主要分為被動(dòng)均衡和主動(dòng)均衡，被動(dòng)均衡為能量耗散性均衡，通過(guò)耗能元件將電池內(nèi)多余能量耗散；主動(dòng)均衡為能量轉(zhuǎn)移型均衡，通過(guò)不同的電流拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制策略，實(shí)現(xiàn)不同電池間的能量傳遞。主動(dòng)均衡在能量利用率、均衡效率等方面均優(yōu)于被動(dòng)均衡。均衡變量的選擇直接影響均衡策略，由于電池的荷電狀態(tài)（State of Charge, SOC）與開(kāi)路電壓具有正相關(guān)性，并且能夠表征電池內(nèi)阻和溫度等參數(shù)，因此采用SOC作為均衡變量較合理。目前在基于SOC的電池主動(dòng)均衡方面，基于變壓器電池均衡系統(tǒng)，在均衡電池?cái)?shù)量較少時(shí)具有較好的表現(xiàn)，當(dāng)電池?cái)?shù)量增大時(shí)，需要使用大量多繞組變壓器，增加系統(tǒng)磁化損耗，同時(shí)增大系統(tǒng)體積?；陔姼械闹鲃?dòng)均衡系統(tǒng)能量只能在相鄰電池單元間快速轉(zhuǎn)移，在不相鄰的電池間均衡速度將大大降低。鑒于以上問(wèn)題，本文開(kāi)發(fā)了一種以SOC為均衡目標(biāo)，綜合變壓器和電感的鋰電池主動(dòng)均衡系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)鋰電池組主動(dòng)均衡，該系統(tǒng)具有較高的均衡精度和較好的均衡效率。

1 總體方案設(shè)計(jì)

本文開(kāi)發(fā)的鋰電池組主動(dòng)均衡系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)主要包括MCU（Micro Controller Unit, MCU）主控單元、鋰電池組，第一層均衡電路和第二層均衡電路。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

電池組中每3節(jié)電池組成一個(gè)控制模塊，利用第一層均衡電路實(shí)現(xiàn)3節(jié)電池之間SOC的主動(dòng)均衡。根據(jù)電池的總量規(guī)?？梢詳U(kuò)展多個(gè)電池模塊，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的電池主動(dòng)均衡，各模塊之間利用第二層均衡電路實(shí)現(xiàn)不同模塊之間的主動(dòng)均衡。

MCU主控系統(tǒng)通過(guò)SPI和IC通信從第一層均衡電路和第二層均衡電路的數(shù)據(jù)采集模塊中獲取各單體電池電壓、電流和溫度等數(shù)據(jù)，通過(guò)SOC估計(jì)算法，計(jì)算出當(dāng)前各節(jié)單體電池的SOC值，并根據(jù)均衡控制策略控制第一層均衡電路和第二層均衡電路，進(jìn)行電池模塊內(nèi)部和電池模塊之間的SOC均衡。

第一層均衡電路包括電池模塊內(nèi)單體電池的電壓、電流、溫度采集外圍電路和以變壓器作為能量轉(zhuǎn)移元器件均衡電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池模塊內(nèi)各節(jié)電池的主動(dòng)均衡。

第二層均衡電路包括電池模塊總電壓、電流采集的外圍電路和以電感作為能量轉(zhuǎn)移元器件的均衡電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)各電池模塊之間的主動(dòng)均衡功能。

2 硬件設(shè)計(jì)

本文開(kāi)發(fā)的電池組SOC主動(dòng)均衡控制系統(tǒng)要能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)單體電池的電壓、電流和溫度，并按照均衡策略控制第一層和第二層電路，實(shí)現(xiàn)以SOC為均衡目標(biāo)的電池組主動(dòng)均衡。MCU主控系統(tǒng)在均衡系統(tǒng)中具有管控全局的作用，MCU對(duì)各功能模型進(jìn)行檢測(cè)、分析和計(jì)算，從而控制系統(tǒng)的運(yùn)行。MCU主控系統(tǒng)需要考慮響應(yīng)速度、引腳接口數(shù)量、計(jì)算精度、運(yùn)行穩(wěn)定性等因素。因此，本文選用STM32作為MCU主板，其集成多種外圍模塊，與上位機(jī)具有多種通信方式，可擴(kuò)展模塊較多，包含LCD顯示屏、蜂鳴器報(bào)警裝置、藍(lán)牙通信模塊和SD數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊等，并且可通過(guò)對(duì)特定引腳的控制來(lái)指定某個(gè)模塊的開(kāi)閉，便捷性好、功耗低。

2.1 第一層均衡電路

第一層均衡電路按照變壓器的磁化特性，采用分布到集中的能量轉(zhuǎn)移方案，即將SOC高的電池的能量分配給模塊中SOC低的電池，使模塊中3節(jié)電池的SOC趨于一致。檢測(cè)單體電池的電壓、電流和溫度，為MCU提供均衡策略的判斷依據(jù)。本層硬件以LTC6804芯片為核心，設(shè)計(jì)外圍電路、高頻穩(wěn)壓電路和溫度檢測(cè)電路，并結(jié)合LT8584芯片設(shè)計(jì)分布到集中式變壓器型的均衡電路。LTC6804外圍電路如圖2所示。

圖2 LTC6804的外圍電路

C0～C3和S1～S3分別與每節(jié)電池所對(duì)應(yīng)均衡控制器的電池電壓輸出端和均衡控制端相連。C4～C12以及S4～S12懸空。GPIO1～GPIO5為模擬信號(hào)的輸入和輸出端，其中3個(gè)通道通過(guò)NTC熱敏電阻檢測(cè)電池溫度。外圍電路采用SPI通信，SCK、SDI、SDO和CSB分別與MCU主板上的SPI模塊相連進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。由于電池模塊的電壓處于連續(xù)變化狀態(tài)，并且速度極快，故本文采用電池模塊作為L(zhǎng)TC6804的驅(qū)動(dòng)電源，因此需要對(duì)V+和VREG引腳采用穩(wěn)壓設(shè)置。V+引腳除通過(guò)一個(gè)100 kΩ的電阻與電池模塊的高電壓相連，還連接了一個(gè)XL6007高頻穩(wěn)壓電路，其電路如圖3所示。

圖3 XL6007高頻穩(wěn)壓電路

XL6007高頻穩(wěn)壓電路采用XL6007大功率直流芯片，瞬態(tài)反映良好，轉(zhuǎn)換效率良好，工作溫度在-40～125 ℃，滿足汽車(chē)工作環(huán)境要求，具有高達(dá)400 kHz的開(kāi)關(guān)頻率，且其內(nèi)部提供過(guò)壓保護(hù)。為使LTC6804芯片正常工作，V+端的電壓需大于電池組的最高電壓值。因此，設(shè)定電阻的阻值為10 kΩ，的阻值為1 kΩ。

利用NTC熱敏電阻檢測(cè)電池溫度，其檢測(cè)電路如圖4所示。將一個(gè)10 kΩ的精密電阻與NTC熱敏電阻串聯(lián)，并將一個(gè)100 nF的電容與精密電阻并聯(lián)起到穩(wěn)流作用。在溫度檢測(cè)過(guò)程中，在精密電阻與熱敏電阻串聯(lián)的電路兩端接5 V恒定電壓，利用MCU主控單元對(duì)精密電阻兩端的電壓進(jìn)行采集，計(jì)算當(dāng)前溫度下NTC熱敏電阻的阻值R，并按照式（1）計(jì)算溫度值。

圖4 溫度檢測(cè)電路模塊

式中，T=298.15，為標(biāo)稱電阻值。

第一層主動(dòng)均衡電路的均衡元器件采用反激式變壓器，在均衡過(guò)程中需要對(duì)變壓器兩端的開(kāi)關(guān)按照一定的頻率進(jìn)行開(kāi)閉，使電池能量從高SOC電池轉(zhuǎn)移至低SOC電池。因此，本文以LT8584反激式DC/DC轉(zhuǎn)換芯片作為核心構(gòu)建均衡電路，均衡電路如圖5所示。

圖5 LT8584均衡電路

第一層均衡電路設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)占空比為20%，開(kāi)關(guān)頻率為75 kHz，選擇的變壓器為NA6252-AL。該變壓器尺寸為15.24 mm×12.7 mm×11.43 mm，初級(jí)線圈電感為4 μH，匝數(shù)比為0.73。

2.2 第二層均衡電路

第二層均衡電路基于電感作為能量轉(zhuǎn)移元器件，將高SOC電池模塊中的能量通過(guò)電感轉(zhuǎn)移至低SOC電池模塊。因此，基于BQ78PL116芯片設(shè)計(jì)第二層均衡電路，設(shè)計(jì)的BQ78PL116外圍電路如圖6所示。

圖6 BQ78PL116外圍電路

將BQ78PL116芯片的V1～V4引腳作為電池電壓檢測(cè)引腳，其電壓檢測(cè)范圍為0～5 V。通過(guò)6個(gè)阻值為10 kΩ的高精密電阻，使連接至V1和V2的電壓為電池模塊電壓的1/3。SMBC和SMBD引腳分別作為BQ78PL116芯片IC通信的時(shí)鐘線和數(shù)據(jù)線，通過(guò)ESD保護(hù)電路與MCU主板通信。P4N、P4S和P3N作為電感型均衡電路的驅(qū)動(dòng)引腳，可根據(jù)設(shè)計(jì)需要輸出PWM控制信號(hào)。CSBAT、CCBAT、CCPACK和CSPACK引腳通過(guò)對(duì)電流感應(yīng)電阻上的電壓進(jìn)行檢測(cè)，從而獲取流經(jīng)電池模塊的電流。

電感型均衡電路如圖7所示。在該電路中，將和電感作為轉(zhuǎn)移電能的元器件，利用UCC27511A柵極驅(qū)動(dòng)芯片為MOS管提供驅(qū)動(dòng)電壓，使MOS管能夠按照一定的頻率進(jìn)行開(kāi)啟或關(guān)閉，在MOS管開(kāi)啟時(shí)，電感或得到電能，MOS管關(guān)閉時(shí)，電感或?qū)?duì)電池模塊進(jìn)行充電，從而將電能從一個(gè)電池模塊轉(zhuǎn)移到另一個(gè)電池模塊，實(shí)現(xiàn)電池模塊間的主動(dòng)均衡。

圖7 電感型均衡電路

電感型均衡電路具體的連接方式：將3個(gè)UCC27511A芯片的IN+引腳分別連接到BQ78PL116芯片上的P4N、P4S和P3N引腳，作為UCC27511A芯片的脈沖輸入信號(hào)，IN-和GND引腳連接電池模塊的低電壓端，VDD作為UCC27511A芯片的電源引腳與電池模塊的高電壓端連接，OUTH和OUTL引腳可輸出脈沖信號(hào)，因此作為MOS管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。MOS管選用AO4618P/N型號(hào)，將第一個(gè)MOS管作為NMOS管使用，第二個(gè)MOS管根據(jù)輸入的脈沖信號(hào)在PMOS管和NMOS管間交替變換。為防止MOS管斷電瞬間，電感電流擊穿MOS管，在電感和上并聯(lián)一個(gè)阻值為2 kΩ的電阻，并將CSBAT和CSPACK、CCBAT和CCPACK引腳連接到電流感應(yīng)電阻兩端，使BQ78PL116能夠?qū)怆娏鬟M(jìn)行檢測(cè)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)主要包括各單體電池電壓、電流和溫度數(shù)據(jù)采集及顯示，各單體電池SOC的估計(jì)、電池的主動(dòng)均衡策略、電池底層均衡和頂層均衡的實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)控制流程如圖8所示。

圖8 主動(dòng)均衡控制流程

主動(dòng)均衡控制系統(tǒng)的工作步驟如下：

（1）系統(tǒng)啟動(dòng)，初始化各類參數(shù)；

（2）檢測(cè)各單體電池的電壓、電流和溫度；

（3）根據(jù)采集的各單體電池的數(shù)據(jù)，按照估計(jì)方法計(jì)算各單體電池的SOC值；

（4）根據(jù)各單體電池的SOC值及控制指令判斷是否進(jìn)行均衡，如果進(jìn)行均衡則繼續(xù)，如果不進(jìn)行均衡則退出；

（5）MCU主控系統(tǒng)按照均衡策略判斷是進(jìn)行底層均衡還是進(jìn)行頂層均衡，并向底層電路或頂層電路發(fā)送均衡指令；

（6）各均衡電路按照MCU主控系統(tǒng)的指令進(jìn)行電路均衡操作；

（7）采集均衡過(guò)程中電池的電壓、電流和溫度，并對(duì)各節(jié)電池SOC值進(jìn)行更新；

（8）重復(fù)步驟（2），直至電池均衡停止或者退出。

4 系統(tǒng)驗(yàn)證

利用所開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)進(jìn)行鋰電池主動(dòng)均衡實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證系統(tǒng)性能。本文采用6節(jié)單體鋰電池串聯(lián)組成的電池組進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試系統(tǒng)如圖9所示。

圖9 主動(dòng)均衡控制系統(tǒng)

利用初始SOC值不同的電池進(jìn)行均衡實(shí)驗(yàn)，均衡后各單體電池的SOC值可以直接表現(xiàn)出主動(dòng)均衡系統(tǒng)的性能，因此，為驗(yàn)證均衡系統(tǒng)的性能，分別進(jìn)行靜置均衡和充電均衡實(shí)驗(yàn)與分析，為分析方便，對(duì)6節(jié)電池編號(hào)，分別為B1～B6。

4.1 靜置均衡

靜置均衡是在電池組未接入負(fù)載時(shí)對(duì)電池組進(jìn)行的均衡，將初始SOC值不同的6節(jié)電池進(jìn)行靜置均衡，對(duì)比均衡前后各單體電池的SOC值，評(píng)價(jià)電池組主動(dòng)均衡的效果。

從圖10可以看出，均衡前電池組的平均SOC值為86.5%，SOC值極差為13.5%，標(biāo)準(zhǔn)差為7.8%。靜置均衡后，電池組的平均SOC值為86.4%，SOC值極差為0.22%，標(biāo)準(zhǔn)差為0.16%?？梢?jiàn)電池組均衡后各單體電池的SOC值趨于一致，說(shuō)明均衡系統(tǒng)能高效實(shí)現(xiàn)電池組SOC的主動(dòng)均衡。

圖10 放電均衡對(duì)比

4.2 充電均衡

將初始SOC值不同的6節(jié)電池進(jìn)行恒流充電實(shí)驗(yàn)，充電一段時(shí)間后得到各單體電池的SOC值，對(duì)比均衡前后各單體電池的SOC值，評(píng)價(jià)均衡效果。各單體電池的初始SOC值和充電均衡后的SOC值對(duì)比結(jié)果如圖11所示。

圖11 充電均衡對(duì)比

從圖11可以看出，均衡前各單體電池的初始SOC具有較大差異，SOC的平均值為63.2%，極差為20.0%，標(biāo)準(zhǔn)差為17.7%。均衡后電池組SOC平均值為83.6%，極差為0.07%，標(biāo)準(zhǔn)差為0.08%。隨著充電的進(jìn)行，均衡后各單體電池的SOC均衡增長(zhǎng)，直到電池組各單體電池充滿為止?？梢?jiàn)本系統(tǒng)在充電均衡中具有較好的可靠性和有效性。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文開(kāi)發(fā)了一種以電池SOC作為均衡目標(biāo)的鋰電池組主動(dòng)均衡系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)底層均衡電路實(shí)現(xiàn)各模塊內(nèi)單體電池之間SOC的均衡，頂層電路實(shí)現(xiàn)各模塊之間SOC的均衡。通過(guò)MCU主控系統(tǒng)，根據(jù)均衡控制策略實(shí)現(xiàn)電池組的動(dòng)態(tài)主動(dòng)均衡。該系統(tǒng)能夠高效實(shí)現(xiàn)電池組的主動(dòng)均衡控制，為電池管理系統(tǒng)提供了有效的工程應(yīng)用參考。