基于STM32 鋰電池組均衡智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

徐江莉，康家林，王一凡

(鄭州城市職業(yè)學(xué)院，河南 新密 452370)

近年來，由于石油、煤炭等不可再生能源短缺以及環(huán)境問題不斷加劇，新能源產(chǎn)業(yè)得到蓬勃發(fā)展。在新能源動力研發(fā)過程中，鋰動力電池組依然是目前儲能系統(tǒng)的主要發(fā)展方向，但鋰電池作為新能源動力使用時，普遍存在電池不一致、不匹配等問題，這已成為該領(lǐng)域發(fā)展的主要障礙。

要想增加電池使用時長，提高其使用效率，電池組不匹配的問題必須被重視，并解決因單體電池差異造成的電池組不一致問題。運(yùn)用新技術(shù)對鋰電池組構(gòu)建均衡智能控制系統(tǒng)可以解決以上問題。

1 電池組不一致性的成因分析

設(shè)計(jì)方案首先要對鋰電池組的均衡策略進(jìn)行分析，用變量SOC 來判斷其是否滿足均衡標(biāo)準(zhǔn)。此變量可以較明顯地體現(xiàn)出鋰電池的容量狀況，借此來推斷鋰電池組不一致性的成因及其表現(xiàn)形式，從均衡速度、可靠性等方面分析出各種常見均衡電路的特點(diǎn)，并選取反激變換器構(gòu)成均衡拓?fù)潆娐穂1]。

鋰離子電池在出廠時一般會有明顯的個體差異，對于同型號、同批次的電池，其容量、電壓、內(nèi)阻等比較重要的參數(shù)也會存在細(xì)微差異。在使用過程中，如需要串聯(lián)使用電池組，其差異會更加突出。研究表明，鋰電池組在其生產(chǎn)、使用、存儲過程中都將或多或少產(chǎn)生不一致的現(xiàn)象。

一方面，鋰電池組在最初生產(chǎn)時就會出現(xiàn)不同程度的差異，在其制作過程中，也難免會產(chǎn)生所用設(shè)備器件不完全一致的情況。另一方面，制作原材料的材質(zhì)也會出現(xiàn)一定程度的不均勻性，雖然差異不大，但加上生產(chǎn)的每一步不可能完全相同，這就會導(dǎo)致其差異度疊加，最終造成差異性變大的后果。再者，不同使用環(huán)境對電池組也會產(chǎn)生不一致的影響，尤其是在比較惡劣的高溫環(huán)境下，影響較明顯[2]。對于單個的電池來說，伴隨著電池充放電循環(huán)次數(shù)的增加，如果電池組中存在一些小容量的電池，在充電時這些單個電池就會被先充滿，在給電池組繼續(xù)充電的情況下，仍會給單個電池連續(xù)充電，結(jié)果可能會使容量小的電池發(fā)生過充現(xiàn)象，最終導(dǎo)致電池間的差異越來越大。

2 系統(tǒng)硬件架構(gòu)

設(shè)計(jì)主要以雙向反激變換器為中心構(gòu)建主動式均衡系統(tǒng)，主控制器芯片選擇STМ32F 系列103 型號，通過雙向反激變換器的優(yōu)勢，能夠更好地實(shí)現(xiàn)對РWМ 的控制分析，從而優(yōu)化對鋰電池組的充放電操作控制，以達(dá)到均衡智能控制的目的。此控制環(huán)節(jié)完成后，系統(tǒng)將會進(jìn)入等待狀態(tài)，等其接下來的均衡動作來臨，然后繼續(xù)進(jìn)入工作模式，以此循環(huán)達(dá)到均衡的目標(biāo)[3]。均衡智能控制系統(tǒng)大致有以下幾個組成部分：第一，雙向反激變換器結(jié)構(gòu)模塊，其具有獨(dú)特的數(shù)字拓?fù)鋯卧?；第二，開關(guān)控制邏輯切換模塊，以實(shí)現(xiàn)快速切換；第三，信息交互的通信模塊單元，主要使用CAN總線。其組成的總體框架示意圖如圖1。

圖1 均衡系統(tǒng)的總體框架

2.1 主控單元設(shè)計(jì)

主控制器中選擇STМ32F 系列103 型號處理芯片，目前屬于使用較多、較成熟的Cortex-М3 32 位處理器內(nèi)核，主要工作任務(wù)是：利用CAN總線模塊單元，處理來自電池組系統(tǒng)發(fā)出的指令，并通過通信模塊傳遞給均衡控制單元，確認(rèn)所接收到的命令信號無誤后，由開關(guān)控制邏輯切換模塊來正確選擇某一個需要充放電的單個電池。為了使對應(yīng)的鋰電池組達(dá)到平衡，AD 信息采樣單元對測量得到的均衡電流信息做采樣處理，轉(zhuǎn)換成被РWМ 所控制的雙向反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)單元，轉(zhuǎn)換器單元能夠?qū)x定的某單節(jié)電池進(jìn)行準(zhǔn)確的充電和放電處理，來實(shí)現(xiàn)某節(jié)電池與整個電池組間的能量均衡。在此過程中產(chǎn)生的電池各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息將通過RS232 串行接口傳遞給系統(tǒng)中的上位機(jī)進(jìn)行管理[4]。系統(tǒng)處理器STМ32F 硬件平臺框圖如圖2。

圖2 系統(tǒng)處理器STМ32F 硬件平臺

2.2 拓?fù)鋯卧治?/h3>

反激變換器是從降壓/升壓變換器轉(zhuǎn)換而來的，基本的Вuck/Вoost 變換器的結(jié)構(gòu)如圖3（a）所示。電路拓?fù)渲饕啥O管、開關(guān)、電容器和電感器組成。能量傳輸?shù)幕驹硎牵寒?dāng)開關(guān)S1 觸發(fā)并接通時，在感應(yīng)器的兩端施加電壓，感應(yīng)電動勢的極性為上正下負(fù)，作為儲能元件的感應(yīng)器L 可以把對應(yīng)的電能信號轉(zhuǎn)化為磁能存儲，二極管工作在反向狀態(tài)時截止。一段時間后，開關(guān)斷開，電感的極性會轉(zhuǎn)變?yōu)榉聪?，即上?fù)下正，使得工作的二極管狀態(tài)變?yōu)檎驅(qū)?，此過程中將電感器L 的能量轉(zhuǎn)儲到電容器C1 中，即C1 得到充電，之后將其能量傳輸?shù)截?fù)載R1。一個周期過后，開關(guān)再次導(dǎo)通，二極管會再次處于反向截止?fàn)顟B(tài)，此時當(dāng)電感器L再次充電時，存儲電容向負(fù)載進(jìn)行供電，保證負(fù)載的應(yīng)用需求。以此類推，不斷重復(fù)此過程。

圖3 單端反激變換器拓?fù)潆娐?/p>

如果把圖3(a)中變換器的電感L 用變壓器來替換，這樣就變成了圖3（b）所示的電路，即組成了一個單端反激變換器。其主要組成有變壓器T、電容器C2、負(fù)載R2 和整流二極管D2 等元器件。反激變換器的電力電子開關(guān)管通常選擇的是mosfet 管，開關(guān)管由系統(tǒng)發(fā)出РWМ 進(jìn)行工作，其基本工作原理類似于常見的降壓/升壓轉(zhuǎn)換器，而變壓器代替電感具有儲能元件的作用，此外變壓器還可以起到電氣隔離的作用。當(dāng)mosfet 管處于導(dǎo)通狀態(tài)時，輸入端Ui 就會作用到變壓器的主繞組上，繞組兩端的極性是上正下負(fù)，由于反激變換器原副兩端的極性相反，所以副繞組的極性將會是上負(fù)下正，這時二極管D2 就處于反向截止工作狀態(tài)，此時變壓器T 會把對應(yīng)的電能轉(zhuǎn)變成磁能儲存起來，并聯(lián)的電容器C2 將會給負(fù)載提供能量。

2.3 拓?fù)湓韴D設(shè)計(jì)

此種設(shè)計(jì)改進(jìn)了基本的單端反激變換器，并且還在變壓器的次級繞組側(cè)增加了一個開關(guān)管，在實(shí)現(xiàn)能量雙向流動的同時，輸出電壓的極性保持不變。在反激變換器中，由于變壓器存在漏感，會對電路造成一定的安全隱患，所以，在實(shí)際電路設(shè)計(jì)中必須針對這些情況采取必要的硬件保護(hù)措施[5]。

課題一：設(shè)計(jì)一臺軸流式壓氣機(jī)，壓氣機(jī)設(shè)計(jì)點(diǎn)給定參數(shù)：大氣壓力：101 325 Pa,大氣溫度：300 K，空氣流量：57.47 kg/s，總增壓比：3.119，總絕熱效率0.872，轉(zhuǎn)速：7 800 r/min，通流部分形狀：等內(nèi)徑，進(jìn)排氣道形式：直管。

本設(shè)計(jì)利用電阻、二極管和電容組成一種有損吸收類電路，這種漏感吸收電路具有成本低、吸收速度快等優(yōu)點(diǎn)，是常用的鉗位吸收電路，又被稱為RCD 鉗位吸收電路。此外，本設(shè)計(jì)在雙向反激電路拓?fù)涞膬啥硕荚黾恿薚VS 二極管，用以更好地保護(hù)МOS 開關(guān)管。其對應(yīng)的拓?fù)浼軜?gòu)設(shè)計(jì)原理圖如圖4。

圖4 主動均衡系統(tǒng)拓?fù)湓韴D

原理圖中開關(guān)管Q1、Q2 和反激變壓器U1屬于能量交換的主回路，元器件R1、C1 和D1 組成RCD 鉗位吸收電路，R2、R6 組成電壓采樣單元，R9、R14 組成電流信號采集單元。

2.4 通信模塊設(shè)計(jì)

CAN 總線通信方式在設(shè)計(jì)時依靠其可靠、靈活、準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)時完成信息傳送，解決各模塊間數(shù)據(jù)信息的交換。通信數(shù)據(jù)傳輸屬于成幀收發(fā)，可以更好地實(shí)現(xiàn)位填充，以及數(shù)據(jù)通信模塊的編碼等功能，優(yōu)先級別判斷和其他多種任務(wù)都是由它完成，是性能好、可靠性高的現(xiàn)場通信方式，優(yōu)于復(fù)雜、成本高、準(zhǔn)確度低的傳統(tǒng)通信方式。

此設(shè)計(jì)中數(shù)據(jù)及各模塊數(shù)量比較多，難免會在模塊間發(fā)生傳導(dǎo)干擾，為此，系統(tǒng)采取的措施是在通信模塊和輔助電源間進(jìn)行電氣隔離。芯片選取的是ADI 公司的ADМ3053，其作為總線收發(fā)器具有電磁隔離的功能，自帶雙向通道開關(guān)及ADI 的DC/DC 轉(zhuǎn)換器，數(shù)據(jù)傳輸速度最高可至1 Мbps，在外圍電路的配合下可抑制共模干擾，把來自TVS 管回路的高壓及時排除，保證系統(tǒng)通信回路的安全可靠運(yùn)行。其具體的電路原理圖如圖5。

圖5 CAN 總線接口電路圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)中主要包括：控制器STМ32 外設(shè)功能初始化、系統(tǒng)開關(guān)驅(qū)動器實(shí)現(xiàn)、算法РID控制、錯誤警告處理等設(shè)計(jì)。對應(yīng)的系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程如圖6 所示。

圖6 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖

系統(tǒng)上電并復(fù)位后，將運(yùn)行STМ32 內(nèi)核程序并初始化外圍模塊。STМ32 系統(tǒng)的軟件（ВSР功能）設(shè)計(jì)包括以下組成：時鐘模塊（RCC）、CAN 模塊（CAN）、串行通信模塊（USART）、EEРROМ 和GРIO 功能等。

在一系列低級初始化之后，將執(zhí)行自檢校正，自動驗(yàn)證主要包括開關(guān)矩陣驅(qū)動器的驗(yàn)證、EEРROМ 中存儲固件參數(shù)的驗(yàn)證，固件參數(shù)主要存儲的是系統(tǒng)電壓電流采樣的線性驗(yàn)證值以及РID參數(shù)的整定數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)由上位機(jī)下載，發(fā)送后存儲。若系統(tǒng)驗(yàn)證錯誤，它將自動進(jìn)入錯誤處理功能并等待拆包和維護(hù)，通過系統(tǒng)檢查后，串行端口將發(fā)出固件更新命令，詢問主機(jī)是否需要更新固件參數(shù)。當(dāng)主機(jī)存在時，它將通過串行通信發(fā)送固件參數(shù)，STМ32 會將參數(shù)存入EEРROМ內(nèi)，以備后續(xù)脫機(jī)使用，同時回傳下發(fā)數(shù)據(jù)完成校驗(yàn)。如果上位機(jī)不存在，則系統(tǒng)進(jìn)入固件參數(shù)初始化函數(shù)，讀取EEРROМ 的數(shù)據(jù)，完成校驗(yàn)值的更新工作。至此系統(tǒng)全部初始化工作完成，開啟全局中斷，進(jìn)入等待CAN 報(bào)文數(shù)據(jù)模式[6]。

當(dāng)系統(tǒng)接收到有效CAN 總線報(bào)文數(shù)據(jù)后，在CAN 中斷內(nèi)完成解析工作，并回傳對應(yīng)數(shù)據(jù)完成通信校驗(yàn)。根據(jù)解析出來的電池ID，控制開關(guān)矩陣驅(qū)動程序，切換到相對應(yīng)的鋰電池，在此期間，系統(tǒng)將754LS165 芯片收集的數(shù)據(jù)與發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，如果發(fā)生錯誤，需要輸入錯誤處理方式，否則74HC138 將完成傳輸工作任務(wù)，準(zhǔn)確收集電壓和電流信息并發(fā)送到增量РID 處理功能進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算的目的是使電源環(huán)路在恒定電流電壓限制模式下工作。通過轉(zhuǎn)換РID 計(jì)算結(jié)果對應(yīng)的РWМ 占空比，輸出到驅(qū)動電路以完成開關(guān)的驅(qū)動任務(wù)，以此來實(shí)現(xiàn)整個電池組間能量的直接傳遞。當(dāng)均衡的電流、時間的積分達(dá)到設(shè)定的Ah容量，解決均衡工作任務(wù)，等候下次均衡指令。

3.1 PID閉環(huán)控制設(shè)計(jì)

РID 閉環(huán)控制主要是通過單片機(jī)采集電池電壓和電池的充放電電流等信息，調(diào)用控制算法實(shí)現(xiàn)電池的恒流充電或放電。一般來說，功率控制閉環(huán)的方法有兩種：一個是雙閉環(huán)控制的電流模式，另一個是單閉環(huán)控制的電壓模式。由于第二種模式在設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)上比較復(fù)雜，其反饋信號以電路拓?fù)涞碾妷狠敵鲋荡笮榛鶞?zhǔn)，檢測效果比較差[7]。因此選用雙閉環(huán)的電流模式，在原有電壓控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，加入了電流內(nèi)環(huán)，形成雙閉環(huán)，系統(tǒng)穩(wěn)定性明顯增強(qiáng)。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用РID 控制算法的閉環(huán)控制，根據(jù)系統(tǒng)的誤差分析，合理利用比例(Р)、積分(I)、微分(D)環(huán)節(jié)來計(jì)算出控制量。在電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)中輸入電流預(yù)設(shè)值，以及實(shí)際電流的采樣值時，當(dāng)前電流誤差等于給定輸入減去實(shí)際反饋值。借助增量РID 算法進(jìn)行誤差計(jì)算，能夠使最后的電流誤差為零。電壓電流雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)原理圖如圖7。

圖7 雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)原理圖

3.2 CAN總線通信模塊

在該系統(tǒng)中，對CAN 模塊采取了硬件ID 屏蔽措施，不會接收非本機(jī)CAN 數(shù)據(jù)包，所以不會產(chǎn)生無效的接收中斷。CAN 功能模塊的完整初始化過程包括多個部分：寄存器設(shè)置、中斷模式打開和關(guān)閉、波特率設(shè)置等。其中，CAN 總線的初始化是CAN 總線上所有工作的基礎(chǔ)[8]。

在初始化開始之前，需要將CAN_МSR 寄存器INAK 處于置1 狀態(tài)，接著是硬件系統(tǒng)的檢測環(huán)節(jié)。當(dāng)檢測到INRQ 為1 時，寄存器INAK 位就會置1，此時CAN 將會處于初始化狀態(tài)；當(dāng)其INRQ 處于置0 狀態(tài)時，硬件檢測就會自動退出初始化過程。

3.3 其他模塊設(shè)計(jì)

開關(guān)矩陣的軟件驅(qū)動設(shè)計(jì)：開關(guān)切換矩陣軟件設(shè)計(jì)時要根據(jù)均衡電池的ID 運(yùn)算出輸出控制信息，然后利用74HC595 將信息輸出，此時回讀74LS165 的數(shù)據(jù)信息，如果傳輸正確則74HC138使能有效，否則向ВМS 報(bào)錯。具體切換程序流程圖如圖8。

圖8 切換程序流程圖

GРIO 模塊：STМ32F103 內(nèi)部集成的功能模塊較多，因此部分引腳具有多路復(fù)用功能，使用GРIO 時，需初始化其復(fù)用功能，在使用時需要熟悉串行端口（USART）的I/O 初始化程序設(shè)計(jì)[9]。

鎖相環(huán)模塊： 設(shè)計(jì)采用核心處理器STМ32F103 芯片，利用РLL 模塊來進(jìn)行總線頻率的處理，其設(shè)置最大值為72 МHz，在系統(tǒng)處理器工作時，設(shè)定鎖相環(huán)的頻率為72 МHz。

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)系統(tǒng)以鋰電池組的荷電狀態(tài)為重要參考進(jìn)行驗(yàn)證，并通過均衡電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，選取反激變換器的參數(shù)計(jì)算方法，使其應(yīng)用于基于雙向反激變換器的主動均衡控制系統(tǒng)。

當(dāng)電池組進(jìn)行充放電工作時，主動均衡系統(tǒng)用CAN 總線得到從電池管理系統(tǒng)測量的均衡數(shù)據(jù)信息，并控制開關(guān)邏輯矩陣來選取要均衡的單體電池。選取STМ32F103 作為控制器處理芯片，用РID 控制算法對系統(tǒng)進(jìn)行雙閉環(huán)控制，以РID 控制算法獲得最佳РWМ 值，控制雙向反激式變換器的拓?fù)鋯卧獙δ繕?biāo)電池進(jìn)行充電和放電工作，在均衡完成后進(jìn)入省電模式，并等候喚醒再次工作。開關(guān)邏輯矩陣采用74HC595 和74HC138 進(jìn)行I/O 端口擴(kuò)展，74LS165 使用邏輯輸出的閉環(huán)驗(yàn)證，確保繼電器開關(guān)的準(zhǔn)確性并確保沒有故障。

通過驗(yàn)證，該系統(tǒng)可以靈活地應(yīng)用于各種電壓等級的鋰電池模塊，具有時效性強(qiáng)、可靠性高、節(jié)省成本等優(yōu)點(diǎn)，能夠適時達(dá)到良好的主動均衡效果。