基于SOC 主動(dòng)均衡和健康診斷的電動(dòng)自行車(chē)鋰電池智能保護(hù)器

李曉峰，張珂，安安凱

（中國(guó)計(jì)量大學(xué)，浙江杭州，310018）

0 背景

電池均衡管理作為電池管理系統(tǒng)的核心之一，在解決電池組不均衡問(wèn)題，使電池組中各單體電池的性能基本一致、最大化電池組的容量，確保電動(dòng)自行車(chē)的續(xù)駛里程以及安全性等方面發(fā)揮著巨大的作用。所謂電池均衡就是在電池組充電、放電或者靜置時(shí)，通過(guò)相應(yīng)的電路拓?fù)鋵?duì)電池組中各單體電池進(jìn)行能量釋放或者轉(zhuǎn)移以實(shí)現(xiàn)電池間能量均衡。

在龐大的單體電池串、并聯(lián)組成的電池組，由于不一致性等原因，由于木桶效應(yīng)個(gè)別特性較差、容量較小的電池單體會(huì)直接影響和電池組整體的容量大小和使用壽命。因此，研究一個(gè)具備均衡管理功能的電池管理系統(tǒng)顯得尤為重要。作為監(jiān)視電池組情況、保障電池組安全、提升電池組運(yùn)行性能的重要舉措。

電池均衡管理技術(shù)復(fù)雜、成本高，目前主要用于電動(dòng)汽車(chē)，而對(duì)于目前社會(huì)保有量巨大的電動(dòng)自行車(chē)市場(chǎng)，由于成本、體積等原因，鮮少用到電池均衡管理技術(shù)。因而，研究主動(dòng)均衡型電動(dòng)自行車(chē)鋰電池智能保護(hù)器的意義不僅在于提高了鋰電池的使用壽命，更提高了鋰電池的安全性，面對(duì)發(fā)展迅猛的電動(dòng)自行車(chē)市場(chǎng)，主動(dòng)均衡型電動(dòng)自行車(chē)鋰電池智能保護(hù)器必將在未來(lái)的競(jìng)爭(zhēng)中嶄露頭角。主動(dòng)均衡型鋰電池保護(hù)器能夠智能均衡鋰電池在充放電過(guò)程中的SOC，能夠診斷單節(jié)電池的健康狀況并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程可視化，整體提高鋰電池的能量轉(zhuǎn)化效率、延長(zhǎng)使用壽命，且整體成本經(jīng)濟(jì)、符合國(guó)家綠色環(huán)保的發(fā)展理念。產(chǎn)品將在鋰電池保護(hù)器相關(guān)的領(lǐng)域有較大的應(yīng)用前景和廣闊的市場(chǎng)前景。

從電動(dòng)自行車(chē)角度出發(fā)，一個(gè)優(yōu)秀的電池均衡管理主要包括檢測(cè)電路、均衡電路和保護(hù)電路等組成，如圖1 所示。

圖1 硬件電路原理示意圖

下面我們分別來(lái)闡述各個(gè)電路的工作原理和設(shè)計(jì)。

1 檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

單體電池通過(guò)串聯(lián)組成電池組，為均衡所需，需要對(duì)單個(gè)電池進(jìn)行測(cè)量。為降低電路成本、簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)，同時(shí)也增加可靠性，我們通過(guò)繼電器切換實(shí)現(xiàn)單體的電壓測(cè)量和均衡充電，其中利用單端接地的方法測(cè)量各單體電壓，圖1中任意一個(gè)繼電器吸合時(shí)，可以把其中一個(gè)電池接入MCU里完成檢測(cè)，避免的整個(gè)電池組的高電壓對(duì)控制系統(tǒng)的損害，同時(shí)提高了測(cè)量的準(zhǔn)確性。各單體兩端繼電器的控制通過(guò)4-16 線(xiàn)譯碼器間接實(shí)現(xiàn)，確保對(duì)電池單體的單一選擇，保證均衡效率。K1～K3 為MOSFET 管功率開(kāi)關(guān)，由單片機(jī)控制，防止電池組的過(guò)充和過(guò)放。

單片機(jī)外設(shè)4-16 線(xiàn)譯碼器，按照時(shí)間階梯次序，單路選擇某一路繼電器打開(kāi)，即測(cè)量單體電池采樣每一節(jié)電池的參數(shù)。根據(jù)采集到的參數(shù)，單片機(jī)對(duì)電路中的功率管進(jìn)行控制，達(dá)到SOC 均衡的效果檢測(cè)電路如圖2 所示。

圖2 單體電壓檢測(cè)電路

電路基于能耗和單體電壓測(cè)量的準(zhǔn)確性考慮，采用MCU 控制繼電器定時(shí)采集各單體電壓。檢測(cè)電路ADC 采樣采用單端接地測(cè)量，直接測(cè)到單體獨(dú)立電壓，使測(cè)量更準(zhǔn)確。該系統(tǒng)檢測(cè)電路與均衡算法相結(jié)合，系統(tǒng)通過(guò)分析每次的采集數(shù)據(jù)，確定電池組狀態(tài)和下次單體電壓檢測(cè)時(shí)間。

2 均衡電路設(shè)計(jì)

在鋰電池的使用過(guò)程中，由于單體電池的性能不同，導(dǎo)致充放電效率不一致，智能鋰電池保護(hù)系統(tǒng)采用主動(dòng)均衡電路，將整體的電能經(jīng)過(guò)DC-DC 給充放電過(guò)程中SOC 較低的單體，從而解決充放電效率不一致的問(wèn)題，延長(zhǎng)放電時(shí)間。

對(duì)比電池管理系統(tǒng)的均衡策略，無(wú)外乎電感型主動(dòng)均衡、電容型主動(dòng)均衡、DC-DC 型主動(dòng)均衡。其中基于DC-DC 模型的主動(dòng)均衡，通過(guò)設(shè)計(jì)合適的DC-DC 電路，極大地提高了均衡電流，從而保證了均衡的效率。

圖3 為DC-DC 均衡電路，電路輸入來(lái)自充電器，電動(dòng)自行車(chē)一般為48V 輸入，隔離輸出為5V，采用高效率開(kāi)關(guān)電源隔離模塊，然后通過(guò)一個(gè)TP4056 鋰電池充電芯片，給3.7V 單體鋰電池均衡充電。

圖3 DC-DC 均衡電路

3 保護(hù)電路設(shè)計(jì)

在電池使用和均衡充電過(guò)程中，電池的過(guò)放電和過(guò)充電，對(duì)鋰電池的使用壽命和安全都是極其不利的，因而需設(shè)計(jì)過(guò)放過(guò)充保護(hù)電路，在電池使用和充電過(guò)程中，實(shí)時(shí)檢測(cè)電池電壓，保護(hù)電路如圖4 所示。

圖4 過(guò)充和過(guò)放保護(hù)電路

充放電過(guò)程中MCU 通過(guò)監(jiān)測(cè)各單體電壓判斷電池SOC。當(dāng)接近過(guò)充或過(guò)放時(shí)，MCU 立即給控制口加低電平，使三極管8550 導(dǎo)通，對(duì)應(yīng)MOSFET 管Q16 的柵極接到地，進(jìn)而源極和漏極不導(dǎo)通，切斷電池組與充電器或電機(jī)的連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)電池組的保護(hù)。

4 算法設(shè)計(jì)

在硬件設(shè)計(jì)制作完成并能穩(wěn)定工作的情況下，開(kāi)始軟件設(shè)計(jì)，且對(duì)均衡的效果至關(guān)重要。我們采用的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境采用的 是STM32CubeMX 和Keil MDK5。STM32CubeMX是意法半導(dǎo)體推出的圖形化配置工具，通過(guò)圖形化的操作實(shí)現(xiàn)相關(guān)配置，生成C 語(yǔ)言代碼，支持包括MDK 在內(nèi)的多種工具鏈，可以大幅縮短嵌入式軟件開(kāi)發(fā)的時(shí)間。

為了方便程序調(diào)試和提高可靠性，軟件采用前后臺(tái)系統(tǒng)模型，主要由初始化程序、主程序、子程序、中斷服務(wù)程序等組成，能夠?qū)崟r(shí)地響應(yīng)事件，輪詢(xún)處理任務(wù)。程序結(jié)構(gòu)和流程圖，分別如圖5 和圖6 所示。

圖5 程序結(jié)構(gòu)圖

圖6 程序流程

圖7 充電主動(dòng)均衡流程

圖8 放電主動(dòng)均衡流程

圖9 鋰電池的性能衰減趨勢(shì)

SOC（State of Charge），即電池的剩余電量，也稱(chēng)為荷電狀態(tài)。表示電池使用或長(zhǎng)期擱置一段時(shí)間后，其剩余容量與總的可用容量的比值，常用百分?jǐn)?shù)表示。對(duì)電池SOC 的準(zhǔn)確估算，既是電動(dòng)自行車(chē)估算續(xù)航里程最基本的要求，又是提升電池利用效率和安全性能的基本保證。

開(kāi)路電壓法是最簡(jiǎn)單的 SOC 估算方法，由電池的工作特性知，電池的開(kāi)路電壓與電池的SOC 間存在一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，所以可以通過(guò)試驗(yàn)方法測(cè)得不同放電電流情況下電池端電壓與電池 SOC的關(guān)系曲線(xiàn)。這樣通過(guò)實(shí)時(shí)采樣電池放電時(shí)的端電壓，查表即可求得當(dāng)前時(shí)刻電池的 SOC，該方法中還用電池的循環(huán)壽命及內(nèi)阻對(duì)電池 SOC 進(jìn)行補(bǔ)償校正。該方法要求鋰電池組需要靜置一段時(shí)間，所以無(wú)法檢測(cè)動(dòng)態(tài)檢測(cè)開(kāi)路電壓，無(wú)法用于動(dòng)態(tài)電池的 SOC 估算。

安時(shí)積分法（也叫電流積分法或者庫(kù)侖計(jì)數(shù)法）。即電池充放電時(shí)，通過(guò)累積充進(jìn)和放出的電量來(lái)估算SOC。簡(jiǎn)化公式如下：

其中：Cmax：電池容量（Ah）；Inow：電流（A）；t：時(shí)間。

從公式(1)不難看出，該估算方法存在著誤差，主要來(lái)源于三個(gè)方面：電流采樣造成誤差（采樣精度、采樣間隔）、電池容量變化造成誤差（溫度變化、電池老化、充放電倍率不同、電池自放電）、SOC（初始SOC 估算困難、最終SOC 過(guò)程取舍誤差）。

為減小誤差，在SOC 估計(jì)中引入卡爾曼濾波算法，根據(jù)當(dāng)前儀器的“測(cè)量值”，上一刻的“預(yù)測(cè)量”，以及“誤差”，來(lái)計(jì)算得到當(dāng)前的“最優(yōu)值”。把誤差（預(yù)測(cè)誤差和測(cè)量誤差，通稱(chēng)為噪聲）納入計(jì)算，誤差獨(dú)立存在，不受測(cè)量數(shù)據(jù)的影響。最終將選擇兩種方法之一進(jìn)行SOC 計(jì)算。

對(duì)于充放電狀態(tài)，主動(dòng)均衡流程如下：

在放電狀態(tài)下，單片機(jī)定時(shí)對(duì)每一節(jié)電池的參數(shù)逐個(gè)采樣。當(dāng)某一節(jié)單體的電壓接近下限電壓或遠(yuǎn)低于平均值，開(kāi)啟DC-DC 對(duì)單體進(jìn)行充電，當(dāng)所有單體降到下限啟動(dòng)過(guò)放保護(hù)使電池組停止放電。

對(duì)于充電狀態(tài)，單片機(jī)控制逐個(gè)充滿(mǎn)單體電池。單片機(jī)定時(shí)對(duì)每一節(jié)電池的參數(shù)逐個(gè)采樣。當(dāng)某一節(jié)單體的電壓接近上限電壓，關(guān)閉繼電器使DC-DC 對(duì)單體停止充電，當(dāng)所有單體到達(dá)上限則啟動(dòng)過(guò)放保護(hù)使電池組停止充電。

同時(shí)引入基于異常點(diǎn)的主動(dòng)均衡算法，可提高鋰電池電壓采樣精度和均衡準(zhǔn)確性。

階梯定時(shí)采集的依據(jù)來(lái)自SOC 估計(jì)，通過(guò)建立電量消耗模型，估計(jì)電池放電量，進(jìn)而修改測(cè)量間隔時(shí)間。對(duì)于接近下限電壓或上限電壓的單體，額外增加測(cè)量次數(shù)。

5 電池健康評(píng)估

每個(gè)型號(hào)鋰電池都有其出廠(chǎng)的使用壽命和充放電次數(shù)，當(dāng)電池組中某單體性能降到一定程度則需要更換該單體，以保證整體的平均性能。智能保護(hù)器根據(jù)電池初始?jí)勖€(xiàn)，同時(shí)結(jié)合多次充放電的時(shí)間，電能儲(chǔ)量，飽和電壓等數(shù)據(jù)建立電池單體健康狀況評(píng)估模型，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電池性能的了解。

6 數(shù)據(jù)可視化的開(kāi)發(fā)

通過(guò)藍(lán)牙將單片機(jī)上的數(shù)據(jù)發(fā)送至手機(jī)。智能管理系統(tǒng)對(duì)電池的健康狀況、電量、維護(hù)信息進(jìn)行可視化。在遇到單節(jié)電池性能下降時(shí)，系統(tǒng)可以計(jì)算出電池最佳更換時(shí)間。讓使用者清楚地看到電池的健康狀況，以便于維修、更換、保養(yǎng)，并允許用戶(hù)配置電池的管理方案，更加人性化。

7 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

實(shí)物完成后，我們進(jìn)行了測(cè)試，用到的測(cè)試設(shè)備有：鋰電池充電器、5 位半高精度萬(wàn)用表、模擬負(fù)載等。

實(shí)物及測(cè)試設(shè)備連接見(jiàn)圖10。

圖10 實(shí)物及測(cè)試連接

測(cè)量分兩部分，首先是對(duì)單體電池電壓采集測(cè)量，在SOC 主動(dòng)均衡算法中，為了達(dá)到較好的均衡效果，對(duì)電壓測(cè)量精度要求很高，一般要求測(cè)量精度在5‰以上，隨機(jī)選擇若干個(gè)單體電池測(cè)量，并用5 位半萬(wàn)用表作基準(zhǔn)測(cè)量，結(jié)果如表1 所示。

表1 電壓測(cè)量

以上誤差范圍均在5‰內(nèi)。

在硬件穩(wěn)定工作基礎(chǔ)上，并完成算法設(shè)計(jì)，然后對(duì)均衡效果進(jìn)行測(cè)量，采用同樣的電池組，先普通不均衡充電一段時(shí)間，測(cè)量單體電池電壓，再用均衡充電，測(cè)量單體電池電壓，兩者比對(duì)得出最終的結(jié)論，具體測(cè)量結(jié)果如表2 所示。

表2 均衡效果比對(duì)

根據(jù)以上比對(duì)測(cè)試，證明采用均衡充電的電池組，在充電結(jié)束后，各單體電池組電壓相差不大，誤差小于0.02V，而采用普通充電方式，在充電結(jié)束后，3 號(hào)單體電池和6 號(hào)單體電池，電壓差達(dá)0.2V以上，個(gè)別電池在整個(gè)充電結(jié)束后，例如3 號(hào)單體電池電壓超過(guò)4.2V，長(zhǎng)期這樣會(huì)影響壽命。

8 結(jié)論

應(yīng)用SOC 主動(dòng)均衡算法，針對(duì)單體電池的特性與特點(diǎn)制定保護(hù)方案，有效延長(zhǎng)鋰電池使用壽命。在電池組中，當(dāng)電池差異較大時(shí)，可以區(qū)別對(duì)待每節(jié)電池的充放電方式。使用機(jī)器學(xué)習(xí)方法建立每節(jié)電池的傳遞函數(shù)，充電和放電過(guò)程都能夠?qū)崿F(xiàn)SOC 一致。

建立電池健康狀況診斷模型，對(duì)整體電池組中的每個(gè)個(gè)體狀況進(jìn)行診斷，實(shí)現(xiàn)壞電的定位，預(yù)警和引導(dǎo)更換。

應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對(duì)鋰電池使用狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)單體電池使用狀況的可視化，使用者可以通過(guò)手機(jī)APP 清楚地看到電池的充放電狀態(tài)、健康狀況、電量等維護(hù)信息，便于更換電芯，更加人性化地解決了電池復(fù)雜的充放電保護(hù)問(wèn)題。