晉山立+趙懷林+和陽+朱紀洪

摘 要： 針對串聯電池充放電管理系統存在能耗型均衡效率差、非能耗型均衡控制復雜等問題，設計一種主被動復合均衡的電池充放電路并對其進行實際的應用測試。系統包括主動均衡電路、被動均衡電路、電池組模塊及主控制器。主控制器通過電池的充放電電流、電池電壓、電池的溫度、均衡算法及SOC算法來獲得電池的電荷狀態(tài)，通過主動均衡電路控制電池組模塊的電荷均衡；通過被動均衡電路控制電池組中各個電池間的電荷均衡。實驗結果表明，該設計很好地解決了目前串聯鋰電池組充放電存在的損耗大、效率低以及結構復雜的問題。

關鍵詞： 主動控制調節(jié)； 被動均衡調節(jié)； 復合均衡； isoSPI通信； SOC計算

中圖分類號： TN710.4?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）08?0148?05

Design and application of a charging and discharging circuit with active and passive composite equilibrium

JIN Shanli1， ZHAO Huailin1， HE Yang2， ZHU Jihong2

（1. School of Electrical and Electronic Engineering， Shanghai Institute of Technology， Shanghai 201418， China；

2. Department of Computer Science and Technology， Tsinghua University， Beijing 100084， China）

Abstract： Since the charging and discharging management system of the series battery has the problems of poor equilibrium efficiency for the battery with energy consumption and complicated control for the battery without energy consumption， a charging and discharging circuit with active and passive composite equilibrium was designed， and its practical application test was performed. The system contains the active equilibrium circuit， passive equilibrium circuit， battery pack module and main controller. The controller acquires the charge state of the battery by means of the charging and discharging current， voltage and temperature of the battery， and equilibrium algorithm and SOC algorithm， controls the electric charge equilibrium of the battery pack module by means of the active equilibrium circuit， and manages the electric charge equilibrium among each battery in the battery pack by means of the passive equilibrium circuit. The experimental results show that the circuit has solved the problems of high consumption， low efficiency and complicated structure existing in the charging and discharging of the series battery pack.

Keywords： active control regulation； passive equilibrium regulation； composite equilibrium； isoSPI communication； SOC calculation

0 引 言

太陽能無人機的能源管理系統是對太陽能電池、儲能電池及負載間的能源調度。為了提高系統中儲能電池的使用效率和使用壽命，電池的充放電管理和狀態(tài)預測是核心問題。儲能電池的充放電管理的核心問題主要是儲能電池的充放電均衡問題[1?3]。針對于儲能電池的充放電管理及狀態(tài)預測問題，目前國內外已進行了大量的研究。當下應用最多的電池均衡方案主要有被動式均衡電路和主動式均衡電路。被動式均衡充電電路以均衡速度快、控制簡單的優(yōu)點是目前應用最多的均衡方式，但是被動式均衡充電電路在均衡過程中會消耗大量能量，所以被動式均衡充電電路并不是電池充放電管理的理想選擇；主動式均衡充電電路以充電效率高的特點成為鋰電池充放電管理的最佳選擇，但是由于主動式均衡充放電電路控制難度大、結構復雜和成本高等特點仍然不能成為電池充放電管理的理想選擇[4?6]。為了解決當下儲能電池均衡充放電管理效率低、結構復雜等問題，本文設計了一種主被動復合均衡的電池充放電電路。

1 系統總體結構設計

系統包括主動均衡電路、被動均衡電路、電池組模塊及主控制器四個部分。主控制器通過被動均衡電路傳輸的電池的充放電電流、電池的電壓、電池的溫度等信號，結合均衡算法和SOC算法來獲得電池的荷電狀態(tài)及電池的健康狀態(tài)。主控制器通過調壓控制信號調節(jié)主動均衡電路輸出電壓，從而控制電池組間的電荷平衡；通過數據總線控制被動均衡電路中的被動式均衡電路，從而控制電池組內各個電池間的電荷量的均衡。如圖1所示。

主被動復合均衡的充放電路實物圖如圖2所示，該電路板體積是216 mm×65 mm×15 mm。

2 硬件電路設計

主被動復合均衡充放電路主要包括主動均衡電路、被動均衡電路、電池組模塊及主控制器4個部分。主動均衡電路由DC?DC電源模塊及其調壓控制電路兩個部分構成；被動均衡電路由電壓檢測及能耗控制電路、電流檢測電路及溫度檢測電路3個部分構成；所用的主控制器是SPC5604P；電池組模塊是由N節(jié)單體鋰電池串聯連接組成（其中8≤N≤12）。

2.1 主動均衡電路設計

系統的主動均衡電路為鋰電池組模塊提供充電電壓。主動均衡電路是為了控制調節(jié)串聯鋰電池充電電壓，更好地實現快速的充電，最大程度地提高充電效率設計的。如圖3所示，該電路能夠很好地實現對DC?DC電源模塊輸出電壓的控制調節(jié)，實現輸出電壓在40～56 V的范圍內任意調節(jié)。這樣一方面很好地防止了系統在充電開始時由于電池初始電量過低，充電電壓太大導致充電電流過大，造成電池壽命損耗；另一方面，該控制電路可以實時地跟隨調節(jié)供電系統的輸出電壓，從而實現電池組的恒流充電，減小系統的充電時間，提高充電效率[7?8]。

當電路工作時，檢測電路通過檢測串聯鋰電池組的單體電池電荷量并將檢測結果傳輸給控制器，控制器通過解算當前電池的電荷量，判斷并選擇當前充電的最大電流。當單電池電壓低于3.3 V時，主控制器通過I/O口模擬產生的I2C信號來控制調節(jié)主動均衡電路，減小供電系統的輸出電壓，從而減小串聯電池組的充電電流，防止由于充電電流過大所引起的電池的壽命損耗；當電池電壓高于3.3 V并且低于4 V時，系統會通過微調控制電路相應地調高供電系統的輸出電壓，提高充電電流，并在系統的充電過程中采取電流閉環(huán)，實時跟蹤串聯鋰電池組的總電壓，維持恒定壓差，實現對串聯鋰電池組的恒流充電。當電池的電壓高于4 V時，系統通過略微調高電源模塊的輸出電壓，相應地提高系統的充電電流，從而減少充電時間，提高充電效率。

2.2 電流檢測電路設計

電流檢測主要有電阻法、電流互感法、霍爾效應電流傳感器法等。電阻法的測量精度受溫度的影響較大，且需要另外采用線性光耦實現隔離，因此在對溫度要求很高的情況下，電阻法效果并不好；而電流互感器在測量動態(tài)或低頻電流信號時也同樣存在著精度不高的問題；相比之下，霍爾式電流傳感器卻既具有電磁隔離的優(yōu)勢，又具有很高的精度，所以采用霍爾電流傳感器是目前最為理想的選擇?；魻栯娏鱾鞲衅魇菓没魻栃痛牌胶庠黹_發(fā)的新一代電流傳感器，具有無慣性、精度高等優(yōu)點，同時具有良好的隔離作用。電池組充電電流采樣芯片采用ALLEGRO公司的檢測電流范圍為±5 A、線性、低內阻霍爾電流傳感器ACS723，其采樣電路如圖4所示，電流從IP+端流入，從IP-流出，在VOUT端產生與電流成正比的電壓信號，輸出電壓和檢測電流存在著一次函數的關系如圖5所示。從圖5中可以看出，電流的輸入在-5～5 A的范圍變化時，相應的輸出模擬電壓的范圍為0.5～4.5 V。該電壓信號被送到SPC5604P，經過處理后顯示在上位機上。

2.3 溫度檢測電路設計

為了更好地提高系統的安全性和更好地監(jiān)控電池組在充放電過程中單體鋰電池的狀態(tài)，系統對每節(jié)單體鋰電池的溫度進行了實時采集。在工程應用中，溫度量的采集通常是將溫度信號轉換成電信號來實現的，一種是熱電偶，就是隨著溫度的變化，在熱電偶的輸出端有一個電壓隨著溫度的變化而變化，將這個電壓進行放大，就可以通過上位機進行顯示或者去控制相應的自動設備。另一種是熱電阻，利用電阻性材料的溫度特性，即測溫元件隨著測量溫度的變化電阻值也在變化，利用電阻阻值隨溫度變化的特性，通過放大電路，就可以得到一個溫度信號，進而將溫度參數顯示在上位機上[9]。本文結合項目的要求及空間需求采用第二種方式來實現對電池溫度的采集，如圖6所示。

系統工作時，熱敏原件NTC緊貼在鋰電池表面，通過采集NTC端電壓信號來檢測對應鋰電池在充放電過程中溫度的變化。其中VREF是系統提供的參考電壓。

2.4 電壓檢測及能耗控制電路設計

均衡檢測方案根據結構的不同可以分為電路均衡檢測方案和芯片均衡檢測方案，電路均衡檢測方案主要是根據鋰電池充放電特性和鋰電池電荷量的關系來近似地得到鋰電池電荷狀態(tài)，該方案可以滿足一些對精度要求不高的工程需求；芯片均衡檢測方案是采用當前具有集成均衡檢測功能的芯片來檢測充電鋰電池的電荷狀態(tài)[10]。從效率和工作的精度上兩個方面分析，本文采用了具有集成均衡檢測功能的LTC6804?2芯片，該芯片具有可以同時測量多達12節(jié)串聯電池的電壓、可堆迭式架構支持幾百節(jié)電池、內置isoSPI通信并且距離長達100 m、低EMI干擾和輻射、總測量誤差在1.2 mV內、可以在290 μs內完成對所有電池的檢測、16位增量累加型ADC、同時也可以編程被動均衡電池電荷等優(yōu)點。如圖7所示，系統工作時，LTC6804?2通過端口C0～C12實現對串聯鋰電池的端電壓的檢測，該信號將通過IPA和IPM端口傳輸給主控制器SPC5604P；芯片通過端口S1～S12來實現對鋰電池電荷量的被動均衡調節(jié)。當芯片檢測到某一節(jié)單體電池電壓超過設定值時，該端口被置低，從而使開關管QM導通工作，通過能耗電阻對該電池進行均衡。系統采用串聯鋰電池端電壓為芯片V+供電，同時該電壓經過三極管P3為LTC6804?2內部提供參考電壓。其中S1是撥碼開關，TEMP口是溫度采集端口，VOUT口是電流采集端口，其中0≤M≤12。

3 軟件設計

系統采用飛思卡爾SPC5604P作為控制系統的主控制器，在Codewarrior 2.1的開發(fā)環(huán)境下進行編程測試的。根據系統的充放電過程，將系統的執(zhí)行過程做了如圖8所示分析的流程圖。

當系統上電后，主控制器SPC5604P對LTC6804?2初始化，從而使LTC6804?2進入準備狀態(tài)。當一切進入正常狀態(tài)后，主控制器控制LTC6804?2讀取電池組的狀態(tài)信息如電流信號、電壓信號、溫度信號等。主控制器通過對得到的電流信號、電壓信號、溫度信號解算獲得當前鋰電池的電荷量及健康狀態(tài)，進而選擇充合適的充電狀態(tài)。當電池組的總電荷量小于10%時，系統將選擇進入涓流充電。該充電狀態(tài)下，系統將以小電流對電池進行恒流充電，該充電狀態(tài)很好地防止了大電流充電對電池造成的損耗。當系統SOC狀態(tài)大于10%且小于90%時，系統將進入恒流充電狀態(tài)，該狀態(tài)是采用大電流對電池組進行充電，實現對電池的快速充電。在該狀態(tài)下，當有某節(jié)電池電荷量高于或者低于設定的閾值時，系統將對該節(jié)電池進行均衡控制調節(jié)。當電池組的SOC狀態(tài)大于90%時，系統選擇進入恒壓充電狀態(tài)，在該狀態(tài)下，系統將保持恒壓對電池組持續(xù)充電，直到系統SOC等于1，完成電池組充電。

4 實驗結果

根據系統的控制調壓電路，對該電路的主動調壓控制進行了實際的測試實驗。當在主動均衡電路輸入端為電源模塊提供82～182 V范圍的輸入電壓，在主動均衡控制的控制端采用I2C總線控制的方式對芯片P11輸入0～4 096范圍連續(xù)變化的數據時，可以得到如圖9所示的電源模塊的輸出結果。在圖9中，黃線是光耦輸入端信號，綠線是電壓模塊輸出電壓?？梢钥吹诫娫茨K的輸出電壓可以通過I2C總線控制。當對輸入連續(xù)變化的信號，對應的電源模塊輸出電壓同樣會在40～56 V內連續(xù)變化。

為了驗證系統在充電過程的能量存儲效率，利用程控電源對系統的充電輸入功率與電池充電存儲功率進行了實測驗證。

實驗中采用18650鋰電池作為實驗對象，容量=3 100 mA·h，工作電壓=3.7 V，最大電壓4.2 V，程控電源輸出電壓=125 V，電源模塊工作效率=84%，電源模塊的額定功率50 W。當程控電源以電源模塊滿功率輸入對電池組進行充電時，系統經過249 min完成充電。當系統以電源模塊75%功率對電源模塊進行充電時，系統在經過363 min完成充電過程。當系統以電源模塊50%的工作效率進行充電時，系統經過587min完成充電。表1為18650充電效率計算，系統能量轉換效率計算公式為：

為了驗證系統的控制結構的可靠性和實時性，建立了基于LabVIEW的上位機對系統進行了實際測驗和驗證。該上位機能夠實時地顯示充電過程中電池電荷狀態(tài)。如圖10所示，當串聯鋰電池組在充放電過程中不采用均衡調節(jié)時，電池會隨著時間的積累出現電荷差[7]。這是由于電池出廠工藝的不同，在充放電過程中表現出了很大的差異。由于串聯鋰電池組的“短板效應”，系統在充電時，由于充電速度快的電池，系統會提前結束充電；系統在放電時，電荷量少的或者放電速度快的會提前結束放電，這樣會很大程度的影響系統的供電效率。如圖11所示，當系統采用均衡控制對充放電鋰電池組進行管理時，看到電池電荷誤差維持在20 mV范圍內，電池組之間的單體電池電荷間的誤差同樣維持在20 mV內。數據顯示表明，系統在串聯鋰電池組的充電過程中很顯著地實現了電荷調節(jié)，無論是單電池組內部的電荷均衡還是電池組間的電荷均衡，系統都很好地實現了均衡控制。測試結果顯示即便是在大電流充電的狀態(tài)下仍然可以很好地調節(jié)電池組間電荷的平衡。

5 結 論

本文設計了一種主被動復合均衡的充放電路，系統從主動均衡控制和被動均衡調節(jié)兩個方面出發(fā)，結合電池的充放電電流、電池電壓以及溫度等信息來實現對串聯鋰電池組充電電荷的均衡控制及電池健康狀態(tài)監(jiān)測。該電路既提高了串聯鋰電池組充放電效率又優(yōu)化了系統控制結構，又大大地提高了系統整體的充放電效率，很好地實現了對串聯鋰電池組充放電管理。

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