張 兵，吳定國，唐曉新，胡攀攀

(合肥國軒高科動力能源有限公司，安徽 合肥 230012)

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電池管理系統(tǒng)均衡控制電路設(shè)計

張 兵，吳定國，唐曉新，胡攀攀

(合肥國軒高科動力能源有限公司，安徽 合肥 230012)

隨著全球經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展，工業(yè)設(shè)備排放的廢棄物對環(huán)境的污染日趨嚴重。大力發(fā)展節(jié)能新技術(shù)，積極開發(fā)新型動力能源來減輕工業(yè)設(shè)備對常規(guī)化石燃料的依賴已經(jīng)變得刻不容緩。以鋰離子電池作為工業(yè)設(shè)備的動力能源裝置能夠很好地解決這個問題。電池管理系統(tǒng)(BMS)作為鋰電池動力系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，是電池與整個動力系統(tǒng)的連接紐帶。電池管理系統(tǒng)主要通過實時監(jiān)測電池參數(shù)(電壓、電流、溫度等)，判斷出電池當前的工作狀態(tài)，若存在不平衡則通過均衡控制單元使整個鋰電池組回歸到基本平衡態(tài)。

鋰電池；BMS；實時監(jiān)測

0 引言

目前,動力電池管理系統(tǒng)在設(shè)備上的運用還存在一些技術(shù)瓶頸需要突破。如何解決動力鋰電池系統(tǒng)出現(xiàn)的問題是本文設(shè)計的電池管理系統(tǒng)所要完成的主要內(nèi)容。

本文設(shè)計的電池均衡管理系統(tǒng)主要服務(wù)于各種以鋰電池作為動力的工業(yè)設(shè)備，鋰電池管理系統(tǒng)各個功能的實現(xiàn)需要一個完整的硬件系統(tǒng)來支撐。由于一般鋰電池動力系統(tǒng)所需的電池數(shù)量較多，因此在對鋰電池管理系統(tǒng)的設(shè)計中必須考慮到采集系統(tǒng)的通用性；由于實際應(yīng)用現(xiàn)場的環(huán)境較為復(fù)雜，必須確保BMS通信的可靠和穩(wěn)定[1]。

1 電池均衡管理系統(tǒng)設(shè)計

本文設(shè)計的BMS采用三層式分布控制結(jié)構(gòu)，提高整個系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和可維護性，可以滿足不同應(yīng)用場合的需要，同時滿足大規(guī)模生產(chǎn)的要求。通過模塊化的結(jié)構(gòu)來設(shè)計整個鋰電池管理系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)。本節(jié)主要介紹所設(shè)計的電池管理硬件系統(tǒng)的框架及各個功能模塊具體的功能。

(1)現(xiàn)場控制單元模塊

現(xiàn)場控制單元模塊的主要作用是通過數(shù)據(jù)采集芯片獲得電池系統(tǒng)中電池的電壓、溫度信號，并通過控制器對獲得的數(shù)據(jù)進行處理，再通過算法處理獲得整個電池系統(tǒng)的工作狀態(tài)及上位機估算的電池系統(tǒng)的剩余容量，如出現(xiàn)電池能量不均衡的狀態(tài)，則通過現(xiàn)場控制器來啟動相應(yīng)的均衡控制單元電路實現(xiàn)整個電池組能量均衡一致，并實時地將電池的工作狀態(tài)通過人機交互界面提供給用戶。如果電池出現(xiàn)故障則及時告知用戶并作出相應(yīng)的保護動作[2]。由于本系統(tǒng)要求與下位機通信，需要接有顯示屏等外設(shè)，所以需要現(xiàn)場控制器具有豐富的外設(shè)接口。本系統(tǒng)現(xiàn)場控制器選用ATmel公司的ATmega32HVB。系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

(2)數(shù)據(jù)采集模塊

底層系統(tǒng)是電池數(shù)據(jù)采集芯片，它的功能主要包括對電池的信號進行相關(guān)調(diào)理和采集。這些信號數(shù)據(jù)的精確采集對電池能量均衡尤為重要，電池儲存能量使用策略的制定至關(guān)重要。底層的數(shù)據(jù)采集芯片共包含兩種采集模塊：單體電壓采集模塊和電池單體溫度采集模塊[3]。一個數(shù)據(jù)采集板共采集3塊電池單體的電壓和6塊電池單體的溫度。

(3)均衡控制單元模塊

均衡控制模塊的主要功能是將經(jīng)過ATA6870芯片處理過的數(shù)據(jù)由ATmega32HVB主控制器根據(jù)相應(yīng)的均衡控制算法做出均衡控制決策，將能量由電壓高的電池單體傳遞并短暫儲存在相應(yīng)的儲能電感中，隨后，能量通過儲能電感轉(zhuǎn)移到相鄰的電池單體中，這種能耗較小的雙向均衡方式提高了鋰電池組的整體容量，同時也減緩了鋰電池單體的劣化程度(SoH)[4]。

1.1 均衡控制電路

關(guān)于均衡控制，國內(nèi)外所研究出的策略方法數(shù)不勝數(shù)，本文均衡控制電路的設(shè)計思路是基于雙向無損均衡思想下展開進行的，實際證明此方法高效實用，易于實現(xiàn)。

均衡控制整體結(jié)構(gòu)如圖2所示，此系統(tǒng)可實現(xiàn)電池單體間的能量自主向著平衡轉(zhuǎn)移，一步步減小各個電池單體的差距進而達到整體均衡。本文設(shè)計的均衡模塊能量由電壓值較高的單體轉(zhuǎn)移到電壓值較低的單體，從而達到整體均衡[5]。如前面所述電池的電壓是體現(xiàn)電池當前狀態(tài)SoC的代表性參數(shù)，即整個鋰電池組達到了能量均衡狀態(tài)。此種均衡方式FET導(dǎo)通損耗小，電路組成簡易，且能量轉(zhuǎn)移過程快速高效，故本文采用此種均衡方式[3]。具體的均衡電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 均衡控制能量轉(zhuǎn)移系統(tǒng)方案

圖3 相鄰電池單體之間的均衡電路

系統(tǒng)首先通過ATA6870的電壓檢測單元檢測出當前電池的電壓狀態(tài)值，經(jīng)過芯片內(nèi)部的ADC轉(zhuǎn)換，由于ATA6870內(nèi)部沒有PWM生成模塊，所以，將相應(yīng)的數(shù)字信號通過芯片相應(yīng)的SPI通信接口傳送到微控制器，經(jīng)過相應(yīng)的均衡決策，通過PWM輸出信號來控制相應(yīng)的PMOS開關(guān)狀態(tài)[6]，如圖3所示，當Celln的電壓高于Celln-1時，相應(yīng)的PMOS導(dǎo)通，電池能量暫時存放在電感Ln中，經(jīng)過一段時間，PMOS關(guān)斷，通過續(xù)流作用，電感中能量轉(zhuǎn)移到Celln-1中，相反情況也是如此。能量可以在相鄰單體電池間雙向無損流動，從而實現(xiàn)整體電池組的能量均衡。當然，這里所說的無損也是相對的，絕對的無損是無法實現(xiàn)的。

1.2 均衡控制單元程序設(shè)計

ATmega32HVB擁有內(nèi)部集成FET驅(qū)動單元模塊，用此來平衡電池組中各個單體電池。各個FET都是通過軟件程序直接進行控制，從而允許電池均衡算法在軟件中得以實現(xiàn)。單電池平衡的FET是由CBSR寄存器控制，鄰近的場效應(yīng)晶體管不能同時啟動。CBSR控制寄存器的控制字如圖4所示。高兩位(D6～D7)為預(yù)留位，一般設(shè)置為0，D0～D5之中的任何一位置1，相應(yīng)的FET通過PV引腳輸出高電平信號導(dǎo)通。均衡控制程序流程圖如圖5所示。

D7D6D5D4D3D2D1D0xxCBE6CBE5CBE4CBE3CBE2CBE1

圖4 CBSR控制字

圖5 均衡控制程序流程圖

2 實驗結(jié)果及分析

本文設(shè)計的均衡控制模塊FET的開關(guān)斷信號，運用軟件程序?qū)崿F(xiàn)PWM控制，設(shè)置的PWM頻率為3 kHz左右，占空比取49%，因為經(jīng)過多次實驗可知取該值時均衡速度比較快，效率也比較高。這里給出均衡控制過程中單片機輸出的任意四路PWM波形，如圖6所示。

圖6 均衡過程中的任意四路PWM波形

將本系統(tǒng)所使用的12塊力神(3.7 V，2 200 mAH)磷酸鐵鋰電池放電置不同狀態(tài)，利用本文設(shè)計的電池均衡控制管理系統(tǒng)進行實驗，具體的實驗數(shù)據(jù)如表1所示。從均衡實驗得出的數(shù)據(jù)可以看出，鋰電池組的電壓由初始的各個壓值通過均衡控制實驗裝置最后壓值平衡到本文設(shè)定的閾值(0.1 V)之內(nèi)，且均衡控制所用的時間較短，符合實際應(yīng)用要求。

表1 均衡控制實驗數(shù)據(jù)

3 結(jié)束語

綜合實驗數(shù)據(jù)證明，本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集精度較高，可靠性強，實時性好，基本上完成了上述的功能。而且由于CAN總線的使用，系統(tǒng)經(jīng)過簡單的擴展就能運用在大多數(shù)以磷酸鐵鋰電池作為儲能裝置的應(yīng)用場合，兼容性高。

[1] 紀彬,徐繼明,鄭昕,等. 磷酸鐵鋰電池在寬帶大提速中的應(yīng)用[J]. 信息通信技術(shù),2012(2):63-68.

[2] 程昌銀. 更換模式下的電動汽車鋰電池組充電管理系統(tǒng)研究[D].廣州：廣東工業(yè)大學,2012.

[3] 譚曉軍.電動汽車動力電池管理系統(tǒng)設(shè)計[M].廣州：中山大學出版社，2011.

[4] 王為.新能源汽車動力電池SOC估算及實現(xiàn)[D].合肥：合肥工業(yè)大學,2011.

[5] 侯遠欣,王佳. 淺析電動汽車鋰電池的發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 無線互聯(lián)科技, 2013(1):193.

[6] 蔡群英. 混合動力汽車用鋰離子電池管理系統(tǒng)的研制[D].北京：北京交通大學,2010.(收稿日期：2016-06-11)

Design and implementation of battery equalization management detection unit

Zhang Bing,Wu Dingguo,Tang Xiaoxin,Hu Panpan

(Hefei Guoxuan High-Tech Power Energy CO., LTD., Hefei 230012, China)

With the sustainable development of global economy, the dumping of industrial equipment waste pollution to the environment has become increasingly serious. Vigorously develop new energy saving technology, and actively develop new energy to reduce industrial equipment for conventional reliance on fossil fuels has become urgent. With lithium ion batteries as industrial equipment of power energy device can solve this problem well. Battery management system (BMS) as key components in the lithium battery power system, is a link of the battery and the whole power system. Battery management system mainly through real-time monitoring of battery parameters (voltage, current, temperature, etc.), to determine the battery’s current work status, if there is imbalance, by balancing control unit makes the lithium-ion battery pack back to basic equilibrium state.

lithium battery; BMS; real-time monitoring

TP23

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.21.011

張兵，吳定國，唐曉新,等. 電池管理系統(tǒng)均衡控制電路設(shè)計[J].微型機與應(yīng)用，2016,35(21)：37-39,44.

張兵(1989-)，男，碩士，工程師，主要研究方向：電動汽車電池管理系統(tǒng)。

吳定國(1980-)，男，碩士，高級工程師，主要研究方向：電動汽車電池管理系統(tǒng)。

唐曉新(1989-)，女，碩士，工程師，主要研究方向：電動汽車電池管理系統(tǒng)。